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结冰风洞喷嘴雾化特性研究
符澄, 彭强, 张海洋, 王超    
中国空气动力研究与发展中心 设备设计及测试技术研究所, 四川 绵阳 621000
摘要:结冰风洞试验段中的云雾通常由安装在稳定段的喷雾系统产生。喷雾系统雾化喷嘴的性能直接关系到结冰风洞试验段平均水滴直径(MVD)、液态水含量以及云雾均匀性等关键技术指标。在喷嘴试验台上分别使用PDI(相位多普勒干涉仪)及微流量计对小粒径雾化喷嘴的平均水滴直径(MVD)及水流量进行测量,得到了结冰风洞空气辅助雾化喷嘴的流量-粒径性能包线,同时,对喷嘴的供水、供气压力及其配比和水路节流管尺寸对喷嘴雾化性能的影响进行了研究。研究结果表明:喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围。压差越大,粒径和水流量越大,压力差范围越大,调节比越大。减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线。最终的测试结果表明,结冰风洞所使用喷嘴MVD范围为7~70μm,水流量调节比为11.5,其参数调节范围优于国外同类风洞所使用雾化喷嘴。
关键词结冰风洞     喷嘴     MVD     PDI     雾化    
The atomization characteristics research for spray nozzle of icing wind tunne
Fu Cheng, Peng Qiang, Zhang Haiyang, Wang Chao     
Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China
Abstract:The icing cloud inside the icing wind tunnel test section is generated by the Spray Bar System (SBS) which is located at the wind tunnel settling chamber. The icing conditions such as the icing cloud liquid water content (LWC) and the water droplet size (MVD) are determined by the spray nozzle performance of SBS. In this paper, the droplet size distribution and the water flux of the small droplet spray nozzle used in the icing wind tunnel are measured on a spray testing platform by Phase Doppler Interferometer(PDI) and low flow rate flow-meter. The forward scattering method was used to optimize the quality of the PDI signal and the reliability of the result. The influence of the water pressure, the air pressure, their difference and the throttle pipe diameter on the atomization characteristics of the spray nozzle are investigated. The results show that: when the pressure difference between water and air increases, the MVD and water flow-mass also increases; as the diameter of throttle pipe of water is reduced from 0.4mm to 0.35mm, the range of pressure difference between water and air increases, and the coverage of the water practical size and flow mass can exactly meet the icing wind tunnel operation requirements. The water flow-mass ratio of the spray nozzle can reach 11.5 and the droplet diameter range can vary from 7μm to 70μm, which are better than the other similar icing wind tunnel spray nozzles in the world.
Key words: icing wind tunnel     spray nozzle     MVD     PDI     atomization    
0 引 言

飞机在以不同速度、不同高度穿越含有不同特性的过冷水滴的云层时,其机身表面会出现不同的积冰现象,从而严重影响飞行性能并导致飞行事故的发生。结冰风洞是研究飞机结冰的地面设备,其结冰云 雾参数的模拟能力需要满足FAR25部附录C对温度-粒径-液态水含量的要求[1]

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心部件,其雾化喷嘴的性能直接关系到结冰风洞试验段平均水滴直径、液态水含量(LWC)以及云雾均匀性等关键技术指标。结冰风洞要求喷雾系统喷嘴出口的喷雾平均水滴直径(MVD,即Dv0.5,中位数体积直径)和雾化水流量稳定可控,同时供水和供气压力也不能过低,以免增加控制系统实现的难度。

意大利CIRA结冰风洞及美国格林中心IRT结冰风洞均使用内混式空气辅助雾化喷嘴实现覆盖MVD为10~50μm粒径范围的需求。其中,CIRA结冰风洞在常压喷嘴测试平台上使用PDPA(相位多普勒粒子分析仪)对雾化喷嘴的雾化特性进行了全面的测试工作,掌握了喷嘴供水及供气压力变化与MVD和水流量之间的关系,其使用的标准SUJ-12型喷嘴的调节比达到4左右,MVD范围为15~50μm[2,3]。格林中心IRT结冰风洞对其雾化喷嘴进行了多次改进工作,通过改变水路节流管的直径,拓展了喷嘴的粒径-流量包线,改进后的MOD 1型喷嘴调节比达到6左右,MVD范围为10~50μm[4,5,6,7]。在这2座典型的结冰风洞中,由于喷嘴的调节比较小,因此,需要以减少喷嘴开启数量的方法来满足低液态水含量的云雾模拟要求,从而导致试验段截面的云雾均匀性变差。中国空气动力研究与发展中心也曾对结冰风洞喷嘴的选型及雾化性能测试方法做过研究[8]。在结冰风洞之外的领域,雾化喷嘴的应用也非常广泛,对其研究的重点主要集中于雾化角度、粒径和水流量与节流管尺寸的关系及粒径的截面均匀性和轴向的粒径变化等,测试手段一般采用PDI(相位多普勒干涉仪)、PDPA或高速摄影等[9,10,11]

本文使用PDI及微流量计对喷嘴雾化特性进行测试,对供水、供气压力及喷嘴水路节流管尺寸对内混式喷嘴的雾化特性的影响进行研究,并给出结冰风洞小粒径(要求MVD范围为10~55μm、调节比为11)喷嘴雾化特性测试结果。 1 测试设备及方法 1.1 测试设备的介绍

结冰风洞所使用的空气辅助雾化喷嘴如图 1所示。决定喷嘴出口MVD和流量的是水路直径d、水压pw及气压pa。为增强喷嘴的雾化效果,水和气在喷出之前首先在混合室进行预混,从而可获得更细微的水滴颗粒。

图 1 结冰风洞所使用的空气辅助雾化喷嘴 Fig. 1 The air-assisted atomizer of icing wind tunnel

喷嘴安装在一套喷嘴试验平台上,平台主要包括以下几部分:供水、供气系统、喷嘴低压测试平台、PDI和流量计等,如图 2所示。

图 2 喷嘴测试平台 Fig. 2 Sketch of nozzle test platform

试验使用一台离心泵喷嘴供应去离子水,使用氮气瓶组喷嘴供气,水压和气压均可自动调节,水压及气压调节范围为0.03~1.2MPa,压力调节精度0.005MPa。

低压试验台由试验台本体、真空抽气系统及控制系统组成。其主要性能如下:试验台容积为2m3,由水环真空泵配合一个补气阀门精确控制真空度,真空泵抽速为40L/s,压力调节范围为30~100kPa,压力控制精度为0.5kPa。

使用PDI对云雾粒子的粒径、速度及分布进行测量。PDI是PDPA基础上的新一代相位多普勒颗粒分析系统,可以在不同的应用环境中实现对单个颗粒粒径大小以及三维速度的实时无接触测量。系统构成主要包括:光学发射探头、光学接收探头、ASA信号处理器以及自动设备管理系统。PDI可测量的粒径尺寸范围为0.5~2000μm。

水流量测量采用BURKERT-8471型微流量计,流量范围1.5~100L/h,量程内读数精度0.5%。 1.2 测试方法

在进行喷嘴的粒径特性(MVD)测量时,测点位置位于距喷嘴出口约200mm的中心线上。在距喷嘴出口200mm至更远的距离上,雾化颗粒随距离的变化已不再明显,说明在这一距离上,水滴已经完全雾化。在喷雾横截面上,径向测点与中心测点上的雾化颗粒的直径差别约为5.5%~7.5%,粒度分布较为均匀,如图 3所示。同时,从边缘到中心点上,雾化水滴的液态水含量也呈现逐渐升高的趋势,因此,选择中心点作为衡量喷嘴雾化特性的测量点具有较强的代表性。

图 3 喷嘴MVD截面分布 Fig. 3 MVD distribution in the atomization section

PDI采用的镜头组合为500mm(发射)×400mm(接收)。采用前向散射原理对雾化颗粒进行测量,发射和接收镜头的安装方法和相对位置如图 4所示。对于水滴这样的透明介质来说,采用前向散射的测量方法获得的信噪比高,因此更易获得较高的粒子通过率和有效粒子数量,能有效的提高粒径的测量准确度。

图 4 PDI镜头的安装方法 Fig. 4 Assembly method of the PDI lens

测试过程中,在每个水、气压力条件下,分别记录MVD和水流量值,并对数据进行分析。喷嘴的工作及雾化性能测试环境压力均为100kPa。 2 测试结果及分析 2.1 PDI测量结果及分析

采用前向散射方法测量时,高供气压力状态下有效粒子数量和粒子通过率分别可以达到20000个以上和80%左右,在低气压条件下,有效粒子数量和粒子通过率分别可以达到30000个以上和90%~95%左右。可以看出,由于高气压时测试平台内悬浮的液滴不能及时排出,光路能量损失增加,造成有效粒子数量和通过率下降。

图 5给出了MVD=11.9μm时,采用前向散射测得的雾化水滴的直径、数量、体积及轴向速度之间的分布关系图。从图中可以看出,PDI采集获得的有效粒子数量达到50000个以上,并呈现出较好的正态分布状态。通过对15、20和40μm 3个典型粒径状态的粒径进行重复性测量,MVD测试误差分别为1.8%、2.5%和1.8%。由此可见,使用前向散射测得的雾化水滴直径误差很小,完全满足喷嘴雾化性能分析的需要。

图 5 粒子直径、数量、体积及速度的分布 Fig. 5 PDI result of diameter,count,volume and velocity
2.2 水、气压力对雾化性能的影响

对于一般空气辅助雾化喷嘴来说,水、气的压力差决定了喷嘴的粒径和流量特性。一般来说,供气压力越高,水、气的压差越大,雾化效果越好,获得的平均水滴直径也就越小。通常可以通过减小水、气速度差(即水、气压力差pw-pa)及减小喷嘴的调节比来降低喷嘴的雾化颗粒。

图 6给出了不同气压条件下,水、气压力差变化对MVD的影响;图 7给出了不同气压条件下,水、气压差变化对水流量的影响。从图中可以看出,随着水、气压力差pw-pa的增加,MVD值及水流量均逐渐增加。供气压力越高,MVD越小,MVD变化的范围越小:当供气压为0.1MPa(表压,下同)时,MVD变化范围为27.9~56.6μm;当供气压为1.0MPa时,MVD变化范围为7.0~9.9μm。供气压力越高,水的调节比越小:当供气压为0.1MPa时,调节比为5.63;当供气压为1.0MPa时,调节比为4.04;在气压0.05~1.0 MPa的变化范围内,喷嘴最大水流量与最小水流量之比(整体调节比)为11.5。在最低的供水压力条件下,喷嘴没有出现喷射不连续的现象。在各个供气及供水压力条件下,喷嘴的雾化角度始终保持在19°~20°之间。

图 6 水、气压差与MVD的关系 Fig. 6 MVD results at different water and air pressures
图 7 水、气压差与水流量的关系 Fig. 7 Water mass-flow at different water and air pressures

对于内混式喷嘴来说,由于水、气在喷嘴内很小的空间内混合,气路的压力会影响到水路的流动速度。因此,在通过提高气压来达到更小液滴的同时,也会造成水流量的降低,当水、气压力差pw-pa小于某一值时,喷嘴的水路就会出现断流。不同供气压力条件下,能让喷嘴保持持续喷雾状态的pw-pa下限值如图 8所示。从图中可以看出,pw-pa的下限值随气压的增加而不断降低,当气压为1.0MPa时,满足喷嘴不断流的pw最低值为0.7MPa。

图 8 不同气压下的水、气压差下限 Fig. 8 Prescribed minimum of water and air pressure difference

从上述测试及分析结果可以看出,对内混式雾化喷嘴来说,受供水、供气设备压力上限及喷嘴水、气压力差下限的共同影响,不可能通过简单的提高气压、降低水压来达到增大压力差范围,从而达到减小雾化水滴的粒径,同时增大调节比的目的。 2.3 节流管直径对雾化性能的影响

适当的改变喷嘴内部水路节流管直径及优化喷嘴内部水、气流量的配比是拓展喷嘴粒径及调节比范围的有效方法。

图 9给出了供气压力为0.5 MPa时,不同节流管直径条件下MVD的变化曲线,图 10则为流量变化曲线。从图中可以看出,当节流管直径从0.40mm减小为0.35mm时,喷嘴雾化水滴的MVD降低,水流量也随之减小。

图 9 节流管直径与MVD的关系 Fig. 9 MVD result with different throttle pipe diameter
图 10 节流管直径与水流量的关系 Fig. 10 Water mass-flow with different throttle pipe diameter

水、气压力差越大,节流管直径变化引起的粒径、流量的变化也越大,即当节流管直径为0.35mm时,粒径、流量随水、气压差改变而产生变化速率放缓,这有利于在限制最高水流量的情况下,拓宽水、气压力差的变化范围,对于拓宽粒径和调节比的范围是极其有利的。

在相同气压和压差条件下,MVD的变化率明显高于水流量的变化率,这对于拓宽MVD-流量包络线也是有利的。图 11给出了节流管直径分别为0.40和0.35mm时的MVD-流量包络线。图中绿色实线为喷嘴设计所要求的包线范围。从图中可以看出,节流管直径为0.4mm喷嘴的MVD在50μm以上、小流量状态时明显有所缺失,且整体流量偏大,调节比约为9.0。而节流管直径为0.35mm时,粒径的上限和下限均得到拓展,最小粒径达到7.0μm,同时喷嘴的水流量整体减小,最小水流量和最大水流量分别为 1.0L/h和11.5L/h,喷嘴水流量的调节比提高到11.5,远高于意大利1WT和美国IRT 2座结冰风洞所使用喷嘴的调节比[2,3,4,5,6,7]

图 11 节流管直径对Q-MVD包线的影响 Fig. 11 The MVD-flow mass performance with different throttle pipe diameters
3 结 论

在自行设计、搭建的喷雾实验台上,使用PDI及高精度微流量计对冰风洞小粒径雾化喷嘴的性能进行测试,对水、气压力配比及水路节流管直径对喷嘴雾化性能的影响进行了研究,得到以下结论:

(1) 在使用PDI测量雾化水滴参数时,采用前向散射的方法能获得很高的粒子通过率及有效粒子数量,从而保证了测试数据的可靠程度;

(2) 对内混式雾化喷嘴来说,喷嘴水、气压力差的大小和范围决定了喷嘴的粒径及调节比的范围:压差越大,粒径越大,流量越大;压差范围越大,调节比越大;

(3) 适当减小喷嘴水路节流管的直径,可以增加 喷嘴工作的水、气压力差范围,扩展喷嘴的流量-粒径包络线,与节流管直径为0.40mm的情况相比,节流管直径为0.35mm的喷嘴性能更优;

(4) 结冰风洞所使用的喷嘴MVD范围为7.0~70.0μm,喷嘴的调节比达到11.5,其参数调节范围优于国外结冰风洞中使用的同类型喷嘴。

参考文献
[1] Leone G, Vecchione L. The new CIRA icing wind tunnel spray bar system development[R]. AIAA 2000-0629.
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[6] Robert F Ide. Comparison of liquid water content measurement techniques in an icing wind tunnel[R]. NASA /TM-1999-209643.
[7] Robert F Ide. 2006 icing cloud calibration of the NASA Glenn icing research tunnel[J]. NASA/TM-208-215177.
[8] 符澄. 结冰风洞雾化喷嘴的性能初步研究[C]//第四届近代试验空气动力学会议论文集, 2013. Fu Cheng. Preliminary performance research for icing wind tunnel spray nozzle[C]//The 4th Session of the Experimental Aerodynamics Conference, 2013.
[9] Wonho Kim, Hyungmin Kim Woongsup Yoon. Experiments on atomization characteristics of the flash swirl spray[R]. AIAA 2012-0176.
[10] Madan Mohan Avulapati, Ravikrishna Rayavarapu Venkata. Experimental studies on air-assisted impinging jet atomization[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2013, 57: 88-101.
[11] Sanghoon Lee, Sungwook Park. Experimental study on spray break-up and atomization processes from GDI injector using high injection pressure up to 30MPa[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2014, 45: 14-22.
http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20140058
中国航空学会和北京航空航天大学主办。
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文章信息

符澄, 彭强, 张海洋, 王超
Fu Cheng, Peng Qiang, Zhang Haiyang, Wang Chao
结冰风洞喷嘴雾化特性研究
The atomization characteristics research for spray nozzle of icing wind tunne
实验流体力学, 2015, 29(2): 32-36
Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015, 29(2): 32-36.
http://dx.doi.org/10.11729/syltlx20140058

文章历史

收稿日期:2014-05-20
修订日期:2014-08-08

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