旋转雾化器是一种重要的雾化装置,依靠机械高速旋转使液体与空气相切,从而实现雾化。与压力喷嘴、空气动力喷嘴相比,旋转雾化器具有流量上限高、雾化质量易于控制、可雾化高黏性流体等优点,广泛应用于制糖、牛奶加工、制药业的干燥流程[1-4],汽车工业车体喷漆[5-9],冶金业熔融炉渣冷却[10-14],航空业中小型发动机燃油雾化[15-18],以及农业农药喷洒等[19-22]领域。旋转雾化器种类众多,而各类雾化器边缘液体形态有相似特点,过去学者们对此进行了大量研究。旋转圆盘(rotating disc)是结构最简单的旋转雾化器,因此主要被作为研究对象。
1974年,Matsumoto等[23]就旋转圆盘边缘液体脱离圆盘的形态进行了试验研究,认为液体主要以3种形态脱离圆盘:直接液滴模式(direct drop mode)、液柱模式(ligament mode)和液膜模式(film mode)。直接液滴模式指圆盘转速较低时,液体以大颗液滴及零星小液滴的形式脱离圆盘;液柱模式指液体以一个个液柱的形式脱离圆盘;液膜模式指液体会先在圆盘外围形成一圈液膜,之后再破碎雾化。研究得到,3种形态主要与液体流量、黏性、表面张力及圆盘直径、转速有关,并得到了各个形态的判定公式。
2002年,Senuma和Hilborn[4]利用高速摄影,研究了旋转雾化器边缘液柱的形成与雾化过程。试验观察到,即使在低转速下,圆盘边缘依旧可形成液柱。由液柱破碎而成的液滴直径呈现双众数粒度分布(bimodal size of distribution),黏性大的液体产生的液柱较长,表面张力对液柱的破碎时间影响不大,但对破碎后形成的液滴尺寸有较大影响。2005年,Teunou和Poncelet[24]对旋转圆盘边缘液体的破碎模式进行了研究。通过试验研究得到:当液体流量较低时,不论转速如何,圆盘边缘液体始终为直接液滴破碎模式,液雾尺寸分布主要集中于两三个尺寸,整体较大;随着流量增加,边缘液体形成液柱模式,流量越大,液柱越长;流量再增加,圆盘边缘形成液膜模式。液柱模式雾化的液雾尺寸范围相对集中,液膜模式雾化的液雾尺寸分布范围相对较广。2012年,Liu等[25]对旋转雾化器边缘的液体破碎模型进行了研究,得到了直接液滴模式与液柱模式所产生液滴直径的计算公式,同时总结了3种模式的判定公式。2014年,Ahmed和Youssef[26]研究多种旋转雾化器,认为液柱模式产生的液雾较液膜模式产生的更加均匀,同转速下液雾尺寸也更小。2016年,Wang等[27]研究了旋转圆盘边缘液柱形成与破碎破碎过程,并对液柱数量及影响因素等做了总结。结果表明,液柱数量主要受液体表面张力、黏性、圆盘直径、转速影响,流量对液柱数量影响不大。通过试验研究,得到了液柱数量的计算公式。
以上学者对旋转圆盘进行研究时,圆盘均水平放置,忽略重力影响。而在某些应用场景,如航空发动机中,旋转雾化器以垂直形态工作,重力影响不可忽略。本文研究了垂直工作的旋转圆盘,找到其边缘液体形态的变化规律与特点,并与水平旋转圆盘对比,发现其区别。
1 试验装置本文主要通过试验手段进行研究,试验装置如图 1所示。电机转速可调,转速范围为0~24 000 r/min,最小调节单位为6 r/min。圆盘垂直安装于电机之上,四周装有透明保护罩,光源可透过保护罩,为高速相机提供照明。液体通过入射管打在圆盘中心,被圆盘甩出后,由保护罩收集回流到储液桶。储液桶中液体经由过滤器,被水泵抽出,通过质量流量计之后,由入射管再次打到圆盘。试验所用水泵可以在阀门关闭情况下,自动将液体回流,防止泵体烧坏。阀门采用微调阀门,可以精确调节液体流量。质量流量计最小测量单位为0.1 g/s,量程为0~40 g/s。高速相机拍摄速率与相片尺寸大小成反比,相片大小为1 280×1 024时,拍摄速率为500帧/s;相片大小为256×256时,拍摄速率为2 500帧/s。试验时,当圆盘转速较低时,边缘液体形态尺寸较大,拍摄时采用大相片、低速率拍摄;当圆盘转速高时,边缘液体形态尺寸变小,但液体形态变化速度变快,因此采用小相片、高速率拍摄。相机分别拍摄旋转圆盘顶部与底部液体形态,以用来研究重力对液体形态的影响。
试验件尺寸如图 2所示, 圆盘中心开有一个凹槽,液体通过入射管,先打在凹槽里面,再在离心力作用下流到圆盘表面,以防止液体飞溅及直接在重力作用下脱离圆盘落下。试验时采用固定流量,改变转速及固定转速,改变流量的测试方法,测试液体为水,流量为0~36 g/s,圆盘转速为0~24 000 r/min。
2 结果与分析 2.1 水平旋转圆盘边缘液体形态判定公式水平旋转圆盘边缘液体形态与液体本身的动力黏性μL、密度ρL、表面张力σ,圆盘的转速ω、直径D等有关。Matsumoto等[23]在Frost[28]、Hinze和Milborn[29]的研究基础上,从理论角度分析得到,水平圆盘边缘液体形态主要由雷诺数Re与液体韦伯数WeL决定。设Q1、Q2分别为直接液滴形态转化为液柱形态、液柱形态转化为液膜形态的临界流量,Matsumoto等[23]通过试验,得
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式中:转速ω单位为rad/s。当Q<Q1时,为直接液滴形态;当Q1<Q<Q2时,为液柱形态;当Q>Q2时,为液膜形态。
本试验采用水作为试验液体,试验室温约为25℃,水密度ρL=1 000 kg/m3,动力黏性μL=0.001 Pa·s,表面张力σ=0.072 N/m。试验对水采用质量流量的计量方式,设M1、M2分别为Q1、Q2对应的质量流量,单位为kg/s,将水的物性参数及旋转圆盘直径D=0.1 m代入式(1)和式(2)中,得
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图 3为转速为1 800 r/min时,不同流量下圆盘底部液体形态,转动方向为逆时针,图片分辨率为800×600。从图中可以看到,当流量不大于24 g/s时,流量增加,对圆盘边缘液体形态影响不大。当流量达到30 g/s时,圆盘边缘出现多个液柱纠缠在一起情况,整体上还是液柱形态。当流量进一步增加到36 g/s时,圆盘边缘液柱纠缠状况变多,纠缠在一起液柱并没有形成完整的液膜,而是以几个液柱合并成一片片小液膜的形式,以非常不规则的形态脱离圆盘。同时圆盘边缘其他地区仍存在大量液柱,边缘液体整体呈现大量液柱与小区域液膜混合出现的形态。由于此状态下液体离开圆盘的形态很不均匀,可以认为此状态液雾的均匀性较液柱形态产生的液雾差。
对于水平旋转圆盘,由式(3)和式(4)计算得到,当转速为1 800 r/min时,M1=15.8 g/s,M2=26.0 g/s。而由图 3得到,垂直旋转圆盘边缘液体并未出现直接液滴形态,当流量大于M1时,边缘液体形态并无明显变化,依旧是液柱形态。当流量大于M2时,圆盘边缘液体呈现液柱与液膜混杂的形态,并未形成完整的液膜。
2.2.2 转速对液体形态影响图 4为流量为1 g/s时,不同转速下圆盘底部的液体形态。转速为60~300 r/min时,图片分辨率为1 280×1 024;转速为420~900 r/min时,图片分辨率为1 024×720;转速为1 080 r/min时,图片分辨率为800×600;转速为1 320 r/min时,图片分辨率为640×480;转速为1 800~12 000 r/min时,图片分辨率为256×256。当转速很低时,圆盘表面液体一方面会随圆盘转动,另一方面又会在重力作用下向圆盘最低处流动。向最低处流动的液体会逐渐积累,积累到一定程度时液体形成大段的液柱落下,之后开始再一次积累(60、120 r/min)。随着转速增加,液体积累的位置会向圆盘转动方向移动,液体仍旧在积累到一定程度时大段落下(180、240 r/min)。转速增加到一定程度后,重力对液体不再有明显影响,液体在圆盘边缘形成液柱,液柱形态与水平旋转圆盘液柱形态类似(300 r/min)。之后随着转速进一步增加,液柱长度逐渐变短,液柱数量逐渐增多(420~3 600 r/ min)。当圆盘达到非常高转速时(4 800~12 000 r/min),圆盘边缘液柱变得非常短,液体近似于以一个个液滴的形式直接脱离圆盘,但仍是先形成液柱,之后再脱离,依旧属于液柱形态。
由式(3)计算出当流量M1=1 g/s时,ω=46 116 r/min,即只有当转速大于46 116 r/min时,圆盘边缘液体呈现为液柱形态,反之为直接液滴形态。而在本试验中,流量为1 g/s时,转速大到可以抵消重力影响后(转速ω≥300 r/min),圆盘底部始终为液柱形态,并未出现水平旋转圆盘的直接液滴形态。
对其他流量下试验结果进一步分析,发现当流量小于24 g/s时,转速大到排除重力影响后,圆盘下部边缘液体始终为液柱形态,没有出现直接液滴与液膜形态;当流量为24 g/s时,在某些转速下,边缘液体形成的液柱会纠缠到一起,当转速大于2 400 r/min后,纠缠现象消失。当流量达到30 g/s及以上时,边缘液柱纠缠现象加剧,偶尔会形成局部液膜,但很快又会消失,即使转速增加到24 000 r/min依旧并未形成完整液膜。由式(4)计算得到,当流量M2=30 g/s时,转速大于1 415 r/min,水平旋转圆盘边缘液体即变为液膜形态。由此可知,与水平旋转圆盘不同,垂直旋转圆盘下部边缘液体形态主要与流量有关,转速影响不大。液柱与液膜交替出现的柱膜纠缠状态并不会形成完整液膜,只会局部形成一些小液膜,其他区域仍以液柱为主。
2.2.3 重力对液体形态影响由图 4可知,当转速很低时,垂直旋转圆盘表面液体主要在重力作用下流下,并不会由圆盘甩出,从而无法实现雾化。当圆盘转速增加到某一数值ω0时,圆盘边缘液体会有液柱甩出。图 5为由试验得出的不同流量下ω0的变化曲线。从图中可以看出,整体上ω0随流量的增大而增大。当流量低于24 g/s时,ω0与流量约为平缓的线性关系。但在流量大于24 g/s之后,临界转速ω0迅速升高,与流量仍呈线性关系。
图 6为垂直旋转圆盘下半部表面液体流动情况,图片分辨率为1 280×1 024。从图中可以看到,液体流到圆盘表面之后,由于重力作用,会在圆盘表面形成一个明显的波,波峰处液膜厚度明显大于其他地方。当转速较低时,波会径向延伸很长,直到圆盘边缘(见图 6(a))。当转速增加时,波延伸距离变短(见图 6(b)),在波径向距离最远处,波峰逐渐消失,与圆盘表面液膜融为一体。当流量增加时,波径向延伸距离变长(见图 6(c)),再次延伸到圆盘边缘。理论上,当波延伸到圆盘边缘时,会在延伸处形成一个大的液柱,大量液体从该处流出。由于波峰处液体的切向速度远小于圆盘速度,此处液体会在重力作用下很快下落,不能形成良好的液柱雾化。但在试验观测中波峰处甩出的液体并不多,原因是当波延伸到圆盘边缘时,由于表面张力作用,阻止液体从波峰处甩出。波峰内液体会沿圆盘圆周流动,同时继续旋转加速,直至液体的离心力大于表面张力,从圆盘边缘甩出,形成液柱雾化。表面张力与液体表面的曲率成正比,曲率越大,表面张力越大。当流量增大时,波的厚度增大,边缘液体表面张力变小,同时表面张力需要克服的液体惯性力加大。当流量增大到一定程度时,边缘液体的表面张力不能阻止液体从波峰处大量流出,如果要实现液柱雾化,需要继续加大圆盘转速,直至波峰厚度小到表面张力可以支撑为止(见图 6(d))。所以当流量大于24 g/s后,曲线会迅速升高(见图 5)。
2.3 垂直旋转圆盘顶部液体形态与水平旋转圆盘不同,由于重力作用不可忽略,垂直旋转圆盘底部与顶部的液体形态并不相同。顶部出现了液柱、液膜、柱膜纠缠等形态,流量与转速共同影响着液体形态。
2.3.1 流量对液体形态影响图 7是转速为1 500 r/min时,不同流量下垂直旋转圆盘顶部的液体形态,图片分辨率为800×600,旋转方向为逆时针。由图中可以看到,当流量不大于9 g/s时,顶部圆盘边缘液体呈现液柱形态,液柱长度随着流量增大而增大。当流量达到12 g/s时,圆盘边缘出现液膜形态。当流量为18 g/s时,液膜进一步加大;当流量增大到20 g/s时,液膜明显减小;当流量变为21 g/s时,液膜状态消失,出现液柱与液膜交替出现的柱膜纠缠形态。流量进一步增加,达到24 g/s时,圆盘顶部维持柱膜纠缠形态不变,流量增加到33 g/s时也不会改液体形态。
由式(3)和式(4)计算得到,当转速为1 500 r/min时,水平旋转圆盘边缘液体由直接液滴转变为液柱形态的流量M1=18.4 g/s,由液柱转变为液膜形态的流量M2=29.0 g/s。很明显与垂直旋转圆盘顶部液体形态不同。另外垂直旋转圆盘产生的柱膜纠缠形态,水平旋转圆盘是不存在的。
2.3.2 转速对液体形态影响图 8为顶部液体流态图。当流量低于12 g/s时,当转速抵消重力影响,圆盘顶部有液体甩出后,顶部圆盘边缘液体始终保持为液柱形态。随着转速增加,液柱数量增多,长度变短。当流量达到12 g/s及以上时,圆盘顶部出现液膜形态。与水平旋转圆盘不同,随着转速增加,圆盘顶部液体先形成柱膜纠缠形态;当转速增大时,柱膜纠缠形态中液膜出现的比例越来越大,直至转速达到ω1后,圆盘顶部出现完整的液膜。转速再一步增加,液膜也逐渐增大,直至转速增加至ω2后,液膜达到最大;转速再增加时,液膜开始变小,当转速增大至ω3后,圆盘顶部液体重新变为柱膜纠缠形态。再增加转速,柱膜纠缠形态中液膜出现的比例会逐渐下降,但直至转速增大到24 000 r/min,圆盘顶部液体仍为柱膜纠缠形态。
图 9为圆盘顶部液膜出现的转速ω1、达到最大的转速ω2及液膜状态消失的转速ω3与流量的关系。当流量小于12 g/s时,圆盘顶部始终为液柱形态;当流量大于26 g/s后,圆盘顶部同样不会出现完整液膜,始终为柱膜纠缠形态。所以从图 9可知,当流量在12~21 g/s之间,圆盘顶部才会在某些转速区间内出现完整液膜,转速区间约为1 000~2 100 r/min。
2.3.3 重力对液体形态影响图 10为圆盘顶部液膜随时间的变化,液体流量为18 g/s,圆盘转速为1 320 r/min,图片分辨率为800×600。在垂直旋转圆盘边缘,液膜波动程度非常剧烈,有时几乎消失,有时突然增大,并不像水平旋转圆盘那样,液膜始终能维持一定的形态。在柱膜纠缠形态出现了同样的情况,有时圆盘边缘几乎是完全是液柱,有时纠缠的液柱会大大增加。同样的现象出现在圆盘底部的柱膜纠缠形态,只是变化剧烈程度较圆盘顶部小。
从图 6可知,液体在会圆盘下半部表面形成一个大波,波并不是处于准稳态,而是随着圆盘旋转而波动。流量越大,波动越大。波的每次波动,都会随着圆盘旋转,影响到下游的液体形态。因此,圆盘顶部与底部液体形态会出现大范围变化。与顶部相比,圆盘底部离波的距离更远,波动的影响变小,因此底部液体形态变化程度较圆盘顶部小。
3 结论对垂直旋转圆盘进行了试验研究,用高速摄影拍摄到其边缘液体形态, 得出:
1) 垂直旋转圆盘底部与顶部边缘液体形态并不一致,底部只有液柱与柱膜纠缠2种形态,顶部会出现液膜形态。
2) 圆盘底部液体形态主要与流量有关,当流量不大于24 g/s时,底部始终为液柱形态;当流量大于等于30 g/s时,底部始终为柱膜纠缠形态。
3) 顶部在流量处于12~21 g/s,转速处于1 000~2 100 r/min时,会出现完整液膜形态;当流量小于12 g/s时,顶部始终为液柱形态;当流量大于12 g/s,但转速小于1 200 r/min或大于2 100 r/min时,顶部出现柱膜纠缠形态。当流量大于26 g/s时,顶部始终为柱膜纠缠形态。
4) 由于重力作用,液体会在圆盘下半部表面形成一条大波。当流量增加到一定程度时,液体表面张力不能阻止液体从波峰处流出圆盘边缘,使圆盘形成液柱形态需要的转速大大增加。波会随时间波动,从而影响到圆盘边缘液体形态,所以垂直圆盘边缘液体形态的变化程度要远远大于水平旋转圆盘。
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