基于高速摄影技术的外混式空气雾化喷嘴锥角特性研究

0 引言

空气雾化喷嘴（空气助力式雾化喷嘴）是两相流喷嘴最为典型的喷嘴形式[1]。就目前国内喷雾领域而言，提高液流与周围气流之间的相对流动速度被认为是有显著的促进作用，它借助于空气流动来增强液体雾化，尤其是低喷射压力下的雾化；高速气流在喷嘴内部或外部与低速液体混合，极大地改善了液体的雾化效果。外混式空气雾化喷嘴的原理是高速气流则通过气道切向或垂直与喷出的液体射流在喷口外部混合，利用气液相互冲击和摩擦的作用而雾化[1-4]。

烟叶加料过程是卷烟制丝过程中的一道非常核心的工序，是烟草制品形成独特风格的重要保障。加料工序是香料液通过喷嘴雾化作用碎裂成细小液滴，施加到滚筒内运动的烟叶上[5]。雾化香料的喷嘴为外混式空气雾化喷嘴。雾化锥角的大小是喷嘴喷雾的一个重要的特性，目前国内关于雾化锥角的关注度相对较少，于忠强，杜志环针对不过类型燃油喷嘴的雾化锥角进行了研究[6-7]。针对烟草加料喷嘴的雾化锥角鲜有研究，而雾化锥角对于烟叶加料均匀性、加料效果等着重要影响。

1 试验平台搭建

喷嘴雾化系统可以对雾化介质（压缩空气）喷射压力进行准确控制，对料液进行的定量精确输送；并且可以对喷嘴加料雾化介质和料液的流量、压力、温度等参数进行调节和控制，满足加料雾化特性的试验研究。（图1）

试验平台系统示意图如图2所示。包括喷嘴部分1、拍摄部分3、参数调节部分2、数据采集部分4；喷嘴部分完成气液混合后的料液喷射雾化；拍摄部分用于料液喷射雾化的捕捉；参数调节部分用于调节不同工况下的参数；数据采集部分采集捕捉的喷射雾化数据。背光源5为机器视觉光源，用于补充高速相机高帧数工作状态下所需要的强光。

图2 试验平台示意图

所用喷嘴为外混式空气雾化喷嘴，喷嘴结构图如图3所示，喷嘴出口孔径为3mm。本文采用photron推出的小型高速相机FASTCAM Mini UX100作为拍摄检测的仪器。

图1 加料喷嘴雾化系统原理图

图3 喷嘴结构图

2 雾化锥角试验研究

2.1雾化锥角的检测

本文使用料液作为被雾化的液体，压缩空气作为雾化气体。试验根据某烟厂实际工艺参数，分别设定雾化空气压 力 为 0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa、0.40MPa；料液流量为 15kg/h、20kg/h、25kg/h、30kg/h、35kg/h、40kg/h；料液温度依次为 40℃、45℃50℃、55℃、60℃，进行实验。雾化检测过程为，如图4所示，首先标定相机位置，将高速相机对焦于通过喷嘴轴线的竖直面上；接着调整试验参数，使喷嘴开始雾化，待喷嘴工作状态稳定后，高速相机开始摄录喷雾画面并实时传输到PC进行保存，最终得到的雾化锥角状态如图5所示。

雾化锥角指喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角[8]，包络了出口处的雾化范围。对雾化角的测量方法是将高速相机采集到的照片通过Photron FASTCAM Analysis软件处理得到雾化锥角的大小。为了减小测量误差，每组工况测量10张图片取得的平均值为该工况下的锥角值。

2.2试验结果与分析

2.2.1雾化锥角随料液流量变化规律

图4 雾化锥角检测

图5 雾化锥角图

利用所述锥角检测方法，可以得到不同工况下的雾化锥角详细数值。如表1所示，为温度40℃时，雾化压力为0.15-0.40MPa，料液流量为15-40kg/h，不同条件下的雾化锥角值。

将表1中的数据，做如图6所示处理，横坐标为料液流量，纵坐标为雾化锥角，不同颜色的曲线代表不同的压力。图中CA代表雾化锥角，P代表雾化压力，T代表料液温度，F代表料液流量。从图中可以看出,在料液温度与雾化压力恒定时,该喷嘴的喷雾锥角随料液流量的增加逐渐增大。在15-30kg/h的范围内锥角增加速度较快，而后增加速度逐渐减小。在图中最小锥角为10度左右，最大锥角将近27度，说明料液流量的变化对于雾化锥角的影响是巨大的。这是因为随着料液流量的增加，参与破碎的料液会增加，雾化形成的液滴越来越大，在空间中雾化扩散的范围越来越大。

表1 雾化锥角值

图6 雾化锥角-料液流量

2.2.2雾化锥角随雾化压力变化规律

同理，将横坐标设为雾化压力，纵坐标为雾化锥角，不同颜色的曲线代表不同的料液流量，可得到雾化锥角随雾化压力的变化图，如图7所示。从图中可以看出,在料液温度为40℃、流量恒定时,该喷嘴的喷雾锥角随雾化压力的变化而出现变化，但没有显著的规律。当料液温度为40℃、流量为 40、30、15kg/h，雾化锥角随着压力的增加出现先减小后增大而后又减小的趋势；当料液温度为40℃、流量为35、25kg/h，雾化锥角随着压力的增加出现先增大后减小而后又增大的趋势；当料液温度为40℃、流量为20kg/h，雾化锥角随着压力的增加出现先减小后增大的趋势。这是由于随着雾化压力的增大,雾化空气破碎料液的能力逐渐增加，雾化形成的液滴越来越小，运动速度逐渐增大，但是在空气中会受到重力、浮力、阻力等复杂的空气动力作用，在空气中进行复杂的无规律扩散运动，因此会导致雾化锥角的变化规律也难以找到。

图7 雾化锥角-雾化压力

2.2.3雾化锥角随料液温度变化规律

同样利用上述锥角检测方法，可以得到料液流量为25kg/h时，雾化压力为0.15-0.40MPa，料液温度为40-60℃，不同条件下的雾化锥角值。将横坐标设为料液温度，纵坐标为雾化锥角，可得到雾化锥角随料液温度的变化图。从图8中可以看出,在料液流量与雾化压力恒定时,该喷嘴的喷雾锥角随料液温度的增加呈现先增加后减小的趋势，各曲线在T50时雾化锥角达到最大。料液温度的变化会影响料液的一些特性，比如粘度、密度等。随着料液温度的升高料液粘度会减小，使得料液粘性力、表面张力减小，破碎需要的能量相对会减小。

图8 雾化锥角-料液温度

3 空气雾化喷嘴外流场仿真

ANSYS Fluent 15.0中有五种雾化喷嘴模型，其中本文研究的喷嘴属于气体辅助雾化（air-blast/air-assisted atomizer），因此可利用该模型来进行雾化的外流场仿真。

根据试验平台建立1000*1000*3000mm的立方体雾化流域，划分网格。喷射过程考虑到热交换问题,因此选择能量方程,激活传热机制；喷射过程可认为完全湍流情况,湍流模型选择k-ε湍流模型；激活DPM模型。模拟过程将离散相与连续相耦合计算，关联气相与液相之间，使之相互作用，在Interaction选项勾选Interaction with Continuous Phase。边界条件如表2所示。选择air-blast-atomizer雾化模型，Spray Half Angle为雾化锥角的输入选项，可根据试验获得角度输入。

图9 模型参数设置图

表2 边界条件

经过图9设置后，进行非稳态计算。可得到喷嘴雾化外流场仿真，如图10所示为料液温度为50℃；雾化空气压力为0.2MPa；料液流量为30kg/h；雾化锥角为18.5746度时的雾化仿真效果图。

4 结论

①利用高速摄影技术结合机器视觉光源，能够较容易的检测提取空气雾化喷嘴的雾化锥角，并且能保证较高的精度；

②雾化空气压力、料液流量、料液温度对于喷嘴雾化锥角有着明显的影响。本文研究的喷嘴其喷雾锥角随料液温度的增加呈现先增加后减小的趋势，在料液温度为50℃时雾化锥角达到最大；锥角随料液流量的增加逐渐增大，在15-30kg/h的范围内锥角增加幅度较大，而后增加幅度逐渐减小；锥角随着雾化压力的增大会产生变化，但没有显著的规律；

③ANSYS Fluent 15.0中提供了空气雾化喷嘴模型，其中雾化锥角是一项重要的输入参数，利用上述试验研究结果，可以在一定程度上提高模拟雾化仿真的可靠性及精度。

图10 雾化效果仿真图