研究报告：气液两相流流型影响喷嘴喷雾形态及液滴粒径分布

本研究由 Sun Chunhua, Ning Zhi, Qiao Xinqi, Li Yuanxu 和 Lü Ming 等学者完成，分别来自北京交通大学机械与电子控制工程学院和上海交通大学内燃机研究所。本研究发表于《农业工程学报》2019年第35卷第12期，标题为：“气液两相流流型影响喷嘴喷雾形态及液滴粒径分布”。本文通过试验和仿真结合的方法，研究了气泡雾化喷嘴内的气液两相流流型对喷雾形态及液滴分布特征的影响，对气泡雾化喷射技术和喷嘴内流型的合理选择提供了理论与试验依据。

研究背景

气泡雾化喷嘴是一种通过气液两相混合实现液体雾化的装置，具有低喷射压力、高雾化效率及不受液体物性显著影响等优点。目前这种技术已在农业灌溉、喷涂、焚烧炉和内燃机等领域有初步应用，但其喷雾形态及液滴粒径分布受到喷嘴内部复杂的气液两相流流型的显著影响。

前人研究表明，气液两相流流型随着气液质量比的改变会经历泡状流（Bubbly Flow）、段塞流（Slug Flow）和环状流（Annular Flow）等不同形式。这些流型对液滴的形成与破碎机理有着重要影响。然而目前较少针对气液两相流流型对喷雾形态及液滴粒径分布影响程度的研究。本研究旨在补充这一科学领域空白，探索关键流型（搅拌流和泡状流）对喷雾参数的作用机理，从而为实际应用中的流型选择提供指导。

研究方法

实验系统的建立

研究中建立了一个气泡雾化喷雾的可视化实验系统。系统主要包括雾化喷嘴、空气泵、液体泵、气体和液体流量计、相机、LED光源及导光板。实验选用了水作为液体、空气作为气体，用于研究典型搅拌流（Churn Flow）和泡状流下的喷雾形态与液滴分布。

为了实现两种典型流型的对比，实验设计了两种具有不同充气孔直径与配置的喷嘴。喷嘴混合室直径均为6 mm，喷孔直径为1.2 mm，喷孔长度为2.4 mm。通过调节充气孔参数和混合室结构，使得在相同气、液流量条件下可分别获得两种流型。

仿真模型的开发

数值仿真采用ANSYS Fluent建模，分为喷嘴内气液两相流模型和喷雾场仿真模型： 1. 喷嘴内气液流模型：采用PLIC（Piecewise Linear Interface Construction）和VOF（Volume of Fluid）方法模拟气液界面，描述气液两相流体在喷嘴内混合、拉伸和膨胀的行为。 2. 喷雾场气液流模型：结合欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian）方法，建立描述液滴运动、碰撞与破碎行为的数学模型，并通过液滴曳力、脉动速度和Weber破碎模型更精确地预测液滴行为。

实验和仿真分别验证了不同流型下喷嘴内气液形态和喷雾液滴粒径分布的准确性，从而使研究结果更具可靠性。

实验与仿真流程

1. 利用可视化试验方法，拍摄气泡雾化喷嘴内不同流型的气液形态及喷孔出口的气液分布（48幅图像）。
2. 拍摄喷射过程中的喷雾形态照片2100张，分析喷雾锥角和贯穿距离的变化。
3. 将实验条件与仿真输入条件校准，通过仿真进一步获取喷孔出口区域气液参数及样本难以直接观测的液滴分布特征。
4. 比较两种典型气液流型下喷孔出口气液含率、喷雾形态脉动特征及液滴粒径分布特征。

研究结果

气液两相比流型特征

实验发现，在搅拌流和泡状流中，喷嘴出口截面含气率及流动脉动幅度差异显著： - 搅拌流：截面含气率脉动较小（＜0.2），平均含气率较高（接近0.9）。液相主要以壁面液膜和液滴形式夹杂在气相内，气液混合更均匀。 - 泡状流：截面含气率周期性波动且幅度较大（＞0.6），平均含气率仅为0.42。气泡在喷孔区域膨胀明显，形状拉伸为“丝状”。

喷雾形态特征与喷雾脉动

对于搅拌流和泡状流，在相同工况下观测到的喷雾形态均存在一定程度的脉动： 1. 搅拌流： - 喷雾半锥角主要集中在8°～14°范围，占比超过70%，锥角范围较窄且分布稳定。 - 与泡状流相比，喷雾形态的脉动幅度较小。 2. 泡状流： - 喷雾锥角分布更宽泛（0°～20°），8°～14°区间占比小于40%。喷雾形态的波动较大，体现出气相扰动引起的不规则性。

液滴粒径分布特征

仿真结果表明搅拌流能形成更均匀且粒径小的液滴分布： - 喷孔出口附近，搅拌流的液滴平均粒径略小于泡状流约4%；粒径分布区间集中在60～300 μm，而泡状流达到0～420 μm。 - 搅拌流液滴粒径分布随轴向距离变化更为剧烈，逐渐向大粒径方向移动；而泡状流液滴分布变化幅度较小。 - 在喷孔出口区域，搅拌流的液滴粒径标准差较泡状流减少30%以上，显示其液滴分布更加集中。

研究结论

1. 喷嘴出口流动差异的归因：搅拌流中气相膨胀更加充分，提高了液相破碎效率，形成更为均匀的小粒径液滴；泡状流由于气泡膨胀和周期性形变造成的含气率波动，液滴破碎效率不如搅拌流。
2. 喷雾参数的影响：喷雾形态和液滴粒径分布特征最终取决于喷嘴内的气液流型特征及气泡膨胀规律。
3. 实践意义：搅拌流适合高稳定性、均匀小粒径喷雾需求，而泡状流更适用于要求较大液滴且形态波动对工艺影响较小的场合。

研究亮点

1. 提出了气液两相流型对喷嘴喷雾参数的影响机制，并通过实验与仿真相结合的方法进行系统验证。
2. 较好地解决了气液流型对液滴粒径及喷雾形态影响的工程分析问题，为气泡雾化技术在农业、焚烧炉及内燃机等领域的优化提供了理论依据。
3. 综合可视化试验与先进仿真技术，揭示了喷嘴内微观流动特性及流型转变规律，填补了该领域相关研究空白。

本研究对喷嘴结构优化设计及工况选择具有重要参考价值，同时为气泡雾化技术在工程中的应用奠定了基础。