双流体喷嘴雾化特性实验
摘要:双流体雾化降温冷却技术是将气体和液体在喷嘴内部直接混合，在高压射流作用下直接雾化，雾化的小液滴气化时带走热量，从而降低工作区域温度。

喷雾冷却降温系统广泛应用于养殖、高精度建筑及机械切削加工中刀具的冷却等。

影响喷雾降温冷却的关键因素是雾滴粒径和雾滴运动速度。

雾滴粒径越小，其总表面积越大，易于蒸发、气化，从而产生良好的降温效果;而雾滴运动速度加快则可以进一步加快工作区域的换热过程。

文章利用相位多普勒粒子动态分析仪(FDA)对4种不同喷孔直径的喷嘴进行了较为详细的实验研究，获得了影响雾滴粒径和雾滴运动速度的重要因素，得到了双流体雾化喷嘴工作的最佳压力与孔径组合，为喷雾冷却降温的研究奠定了琴础
在不同的工程应用领域，对雾滴的大小和速度有不同的要求，因此探索雾滴尺寸、滴速、压力、流量、喷嘴直径、流体的物性参数等的关系刁仁进而实现雾滴大小和速度的控制尤为重要。

双流体式雾化喷嘴结构简单，对于高勃度和低勃度的液体都有良好的雾化性能，并且容易通过调节气液比来控制喷雾参数，能满足不同场合的使用要求，但同时也存在动力消耗大、效率低、雾谱宽、雾化机理复杂等因素。

喷雾冷却降温系统通过喷嘴将液体直接雾化，雾化的小水滴气化时会带走热量，从而降低工作区的温度。

喷雾冷却降温广泛应用于养殖、高精度建筑及机械加工中各种刀具的冷却等。

其中雾滴速度和雾化粒径直接影响雾滴的气化，从而影响降温效果
本文以双流体喷嘴为研究对象，采用相位多普勒粒子动态分析仪(FDA)对雾化冷却过程中双流体喷嘴雾化进行了实验研究，着重探讨了双流体雾化喷嘴喷孔直径、工作压力与滴速和粒径的关系，得出了影响双流体喷嘴雾化效果的主要因素。

1实验装置
实验采用的喷嘴为内混式双流体雾化喷嘴，喷头采用收缩式圆锥形雾化喷头，目的是通过对喷嘴在不同运行参数条件下进行雾化性能参数的测量，获得更好的雾化效果，以便实现对喷嘴的雾化性能参数进行有效控制。

实验装置由雾化装置、气路系统、水路系统和测量系统等构成。

气路系统包括空气压缩机、稳压阀、流量计和压力表;水路系统包括空气压缩机、密封罐、稳压阀、流量计和压力表;测量系统主要包括FDA、三维位移机构和数据处理系统等。

实验装置如图1所示。

实验中选用4种不同孔径的雾化喷嘴，为DKW -Z-DB圆形喷嘴，喷孔直径D分别为1.0,1.2,1.5,20mm。

采用相同的水压和气压作为喷嘴的工作压力，工作压力P为0.2-0.5MPa。

通过改变工作压力的大小对不同工况条件下喷嘴在射流方向不同位置(V流靶距)的雾化状况进行测量。

在测量过程，!，，设定喷嘴沿垂直方向喷射，测量以喷嘴口起，在10-40 mm内以5 mm为步长，选取7个点来进行测量。

并在射流靶距L为40 mm处水平截-IN进行了测量,PDA测点布置如图2所示，图中单位为:mm
2雾化特性实验
喷嘴射流喷出的水雾大致呈锥状，可以认为射流是轴对称的，忽略重力、实验风力等外力作用，雾滴的运动速度v和雾滴粒径d也具有轴对称性，因此，只测量沿射流喷射方向和射流靶距L为40 mm处截面上的喷雾参数。

2.1喷嘴在不同工作压力下轴向平均滴速
图3 (a)一(d)为4种喷嘴在不同工作压力下的轴向平均滴速分布图
从图中可以看出，在射流靶距为10 mm处的喷雾射流速度均可达到200m/s以上，这是由于喷嘴喷孔直径较小，喷孔处的压降较大，高压气体经过喷嘴后，推动液滴从喷孔喷出达到较高的速度。

对于不同喷嘴，无论在何种压力作川下，随着射靶距离的增加，射流雾滴速度都将减小，这是由于雾滴在运动过程中受到空气阻力的影响，雾滴速度必然下降，但其速度值仍在100 m/s以上，这对于工作区内的换热有着良好的作用。

对于每一种喷嘴，随工作压力的增大，雾滴运动速度也在增人，雾滴速度的增人有利于传热，因此应当选择在较高的压力下进行工作。

但过高的压力会造成喷雾流场的不稳定，雾滴运动速度均匀性变差。

综合考虑，选用0.3MPa或0.4MPa的工作压力较为合适。

2.2喷嘴在不同工作压力下的雾滴粒径
图4 (a)一(d)为4种喷嘴在不同工作压力下的雾滴粒径分布图。

从图中可以看出，在射流靶距L为40 mm的范田内，雾滴粒径始终控制在35μm以内。

射流破碎理论表明淹没射流时，高压气体是促使射流破碎的主要因素，破碎后的液滴尺寸取决于气动力与表面张力的比值。

因此在这种较高的气动力条件下可以获得较小的雾滴粒径。

对于不同喷嘴，随着射靶距离的增大，雾滴粒径不断增大。

而雾滴粒径变人可能是由于雾滴速度下降后雾滴产生碰撞聚并的结果。

对于每·喷嘴，随着工作压力的增加，雾滴粒径都在不同程度地减小。

因此，同射流雾滴速度一样，必须选取较高的压力。

对雾滴轴向平均滴速和雾滴粒径的测址结果分析可知，当工作压力较小时，雾滴速度和雾滴粒径不能满足工作需要，而对于较大工作压力时容易造成喷雾的不稳定，综合考虑，选用0.4MPa的工作压力较为合适。

2.3不同喷孔直径在工作压力为0.4MPa下射流靶距为
40mm处喷雾场粒度分布
图5 (a)一(d)为不同喷嘴在压力为0.4MPa的条件下射流靶距为40mm处喷雾射流轴线上喷雾
场粒度分布比例,雾滴是在射流靶距为40mm处采集10s获得的，雾滴粒径基本上旱高
斯分布。

对于4种喷孔直径下雾滴粒度的对比可知，喷孔直径为1.2 mm喷嘴具有更好的雾化效果，雾滴粒径谱较窄，雾滴粒径均小于40μm。

而采用其他孔径的喷嘴时，可能是由于雾滴粒子形状不规则，雾滴速度过快或不稳定，造成雾化效果不好。