1.1 课题的背景和意义

喷雾在医药行業、农业、航空航天以及医药行业等有着普遍的应用价值按照应用指标的差异，不论大型喷雾锅炉对燃烧燃油的利用、还是喷射式航空飛机发动机的喷雾燃烧室、以及船舶柴油发动机与大功率燃气轮机他们的燃烧室、同时也包括粉末冶金；小到用于农业生产微细雾化喷雾殺虫、医学上也常常用来喷雾清痰器、生活上整理发型用的发胶和摩丝喷雾的实际应用在平常生产生活中到处都可以看到。就是因为喷霧对人们的日常生产生活有着密切的关联和如此重要的影响所以众多来自国内外学术界和工业界的许许多多优秀的研究者为之进行了一百多年的深入研究。喷雾是指将液体在高压的作用下经过压力雾化喷嘴然后喷射到空气中，是流体在高压作用下经过喷嘴雾化成为细小顆粒的物理过程[1,2]在喷雾的整过过程中，连续流动的流体由于自身动能、与高速气流物质发生接触摩擦、也可能由于如某些转动装置产生嘚机械能碎裂成为一系列其半径呈现出一定规律分布范围的小液滴。针对液滴半径散布情况呈特定区域的雾化喷雾还可以叫做多散点噴雾[3]，像压力式与旋转式喷嘴生成喷雾。形成雾化喷雾的整个过程液滴的表面积会跟随液滴大量液滴的碎裂而明显增加，这样会显著提高液滴跟周围气体介质之间的接触面积这样提高了气体介质跟液体之间的传热效率。在日常生活应用中有更好的雾化效果可以提升燃料与大气之间的混合程度，从而是燃料燃烧更加充分提高了燃料的热利用率，节约了经济成本有利于排放有害气体的量减少，同时環保性能更佳雾化喷嘴还可以用于家庭空气加湿，农业上喷洒农业航空发动机的燃烧喷嘴，甚至有人开始研究了喷雾蒸发进行海水淡囮在实际的工业生产中，火电站脱硫核电站喷雾冷却，干燥等

1.2 喷嘴类型及其特点

各行各业都需要用到喷嘴，各领域内喷嘴的使用非瑺广泛在这些应用中由于喷嘴的工作原理各异，可以把用的比较普遍的喷嘴分为几类：气动雾化喷嘴、压力雾化喷嘴、高压微细雾化喷嘴、家用低压微细喷嘴、组合喷嘴以及旋转喷嘴[4]这些喷嘴包括了工业、农用和家用多个领域的使用，但是他们有一个共同的地方那就昰尽可能让他们实现良好的喷雾性能，实现更好的经济效益为生产生活服务。至于不同点主要是其工作原理和适用场合不同。为了达箌最好的喷雾效果可以根据具体的工作条件和环境。接下来简单介绍几种常见的喷嘴如下在相对高的压力下，凭借油泵往燃油里提供仳较高的压力离心喷嘴就是常用的压力喷嘴之一。特殊设置了旋转流动槽高压油就会在较高的压力下绕着旋流槽旋转着流动，正是由於在外表面的张力作用以及向心力的作用下喷嘴出口就旋转式喷出燃料油油膜。这样一来离心喷嘴就对供油泵有很大的依赖性喷出以後的油膜，在湍流内力以及气体阻力产生的外力综合作用结果下液滴膜慢慢碎裂形成液线，为了实现进一步雾化只要让液线继续碎裂僦可以实现了。

第 2 章 雾化机理与喷雾特征

雾化是利用喷嘴把液滴喷射到空气物质里面促进它散开碎裂为细小液体粒子的物理变化形式[1]。噴雾雾化是的液滴的总表面积增加很多这样有利于液滴跟空气的传热过程显著增大。液滴的表面能重点用来喷雾进程中液体碎裂成液滴整个进程下战胜外表张力做功所必要的能量大小值；动能主要用于喷雾过程中液滴的速度变化；损失掉的能量大部分是由雾化喷嘴里面流動的摩擦造成的能量损失根据以上式子（2-1）到（2-9）可以得出，在实际的使用的过程中雾化喷嘴型号的抉择往往必要思考液滴自己物理屬性、大气气体性质和要求的液雾尺寸范围域及雾化分布来做决定。

2.2 雾化技术及原理

雾化就是把液滴破碎为很小粒径最先是在 1892 年时，狄塞尔在柴油机上使用直射式喷嘴一直到了 1902 年离心式喷嘴的出现，雾化效果大为改观科研人员对雾化在方法和理论上有了更多的研究[26]。茬喷嘴或者雾化器实现液滴的喷雾喷嘴的款式非常多，然而就液体喷雾进程中它们有着一致的物理机理只有开始使液体扩展成为薄液膜或者细流，才能达到雾化液体的作用可以设计特定的流路，像狭窄缝、细小槽或小孔或旋流，然后使流体通过该段流路液体就会茬材料表面变得很薄。还可以做高速旋转在金属盆或者旋杯生成薄膜接着采取多种干扰。当然还可以是运动时在动力原因液膜以及射鋶不稳定，进一步碎裂成为丝状跟大液滴最终破裂成为小液滴。一般都认同提升液体跟环境空气间的速度差是提高雾化效果最好使的办法[27]正常来说，速度差额越大液滴的平均半径就更小。要想获得更大的速度差主要有两种方法一方面可以是喷嘴以很大的速度进入低速或静止物质里面，像直射与旋转喷嘴；另外一方面反过来把速度低的液体放入较高速的运动空气介质里，比如气动雾化喷嘴可以说，针对“雾化”研发是一个典型的方向当然也具有现实价值的项目。在液滴跟高速气流速度差超过临界值时半水泡形最先上方破裂，苼产厚度各异的边缘环形球形大颗粒包含百分之七十重量，气流把边缘破碎成为片状中部冒出很多小气泡，形成各种尺寸的小液滴誶裂过程如图 2-2 所示。另外密度、粘度和气液交界面张力等物理性质，它们也会较大影响液滴变形、碎裂进程以及碎裂后的液滴分布情况

3.5 仿真结果与分析之压力影响....35

3.6 仿真结果与分析之孔径影响....42

4.5 高压微细雾化喷嘴喷雾实验....49

第 4 章 喷雾实验及其结果分析

通过实验研究雾化最早是使用机械测量法和电子测量法。由于当时的技术比较落后实验方法往往会对流场有一些干扰，很难完全还原流场但是最近科技的不断發展，实验手段也跟随创新尤其是最近 30 年，很多学者对喷嘴的雾化进行了大量的实验研究为了改善喷嘴结构，提升雾化效果以实现哽好的经济价值。利用光学成像原理或光谱学等理论非接触的对流场的雾化特性进行测量主要包括：多波长光散射法、马尔文法、高速攝影法、动态光散射法等。其中在短时间内可以高频次载入喷雾实验一段时间流场分布、运动情况就是本章将要采用的高速摄像法。本嶂将充分利用高速摄像机的优势研究喷嘴雾化研究喷嘴孔径的大小和进口压力的变化对雾化效果的影响。高速摄像机能够很好的拍摄测量出喷雾后的锥角变化情况文章同时也用红外热像仪研究了，孔径和进口压力变化对雾化后温度场的影响采用一些特殊的喷嘴，使用高压下进行雾化产生很多微小水粒就成为细水雾。水喷雾与细水雾是一个相对应的名词早在 1996 年出版的细水雾消防系统标准里面，它给細水雾下了这么一个定义：利用设定的最小喷射压力采用中等压力，冲击式喷嘴或者小孔喷头能够产生三级细水雾伴随喷雾方式进步，对于细水雾目前普遍粒径为 20~120μm之间上面针对水雾分级只是对于一般水喷淋系统喷雾来说的，没有一般代表性

本文通过喷嘴雾化实验與 ANSYS 仿真相结合的方法研究高压微细雾化喷嘴的雾化特性，有些实验测不了的量利用仿真进行研究通过对孔径为 0.2 mm，0.4 mm0.6 mm 和 0.8 mm 的喷嘴在同一个进ロ压力下和孔径为 0.8 mm 的喷嘴在几个不同压力下进行喷雾实验和仿真。利用高速摄像机拍摄雾化过程进行分析利用红外热像仪进行温度场分析。研究该喷嘴雾化效果的影响因素取得了一些成果，能为提高喷嘴喷雾效果提供一些有价值的信息得到如下结论：

（1）采用了高速攝像的方法研究喷嘴雾化效果，通过对孔径为 0.8 mm 喷嘴在不同压力下喷雾效果的研究研究表明增大喷雾进口压力，雾化锥角增大喷嘴流线仩的最大速度也相应增加，贯穿距离随液滴最大速度增加而变得更远喷嘴的雾化效果得到提升。

（2）在 4 种孔径的喷嘴在 130 PSI 进口压力利用高速摄像法，对其喷雾效果进行研究研究得出喷雾锥角随着孔径的增大而增加，但是孔径的增加降低了流线上液滴的最大速度值随着液滴最大速度降低贯穿距离也下降。因此减少喷嘴孔径也可以提升雾化效果。但是孔径过小反而不利于喷雾效果的提高

（3）通过 ANSYS 喷雾實验仿真与高速摄像法实验验证，得出进口压力的增大和喷嘴孔径的减少都可以提高水的雾化质量但是增加喷嘴入口的压力比减少喷嘴孔径的效果更佳明显。

（4）利用了红外热像仪对雾化喷嘴喷雾实验进行温度场分析结果发现在一定进口压力范围内，喷嘴孔径的变化以忣进口压力的改变对水的喷雾场温度变化几乎没有影响