结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

符 澄, 彭 强, 张海洋, 王 超, 吴盛豪

(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)

结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究

符 澄*, 彭 强, 张海洋, 王 超, 吴盛豪

(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)

喷雾系统是结冰风洞中进行云雾参数模拟的核心设备，其雾化喷嘴的性能直接影响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。结冰风洞运行过程中的压力、温度、风速以及雾化水滴的温度、初始粒径等均会对进入试验段的云雾参数的最终状态产生影响。在0.3m×0.2m结冰风洞和喷嘴低压试验台上，针对不同风洞运行环境对喷嘴雾化性能的影响进行研究，测量了风洞运行的压力、气流速度、雾化水滴的温度、初始粒径等对粒子蒸发速率及喷嘴性能包线的影响。研究结果表明：风洞的气流环境对云雾粒子的MVD值影响较大；风洞的气流速度及粒子的初始温度越高，云雾粒子的雷诺数越大，其蒸发速率越大；环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大，随着环境压力的降低，喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄，但对喷嘴的流量影响不大。

结冰风洞；喷嘴；雾化特性；MVD；试验

0 引 言

结冰风洞是研究飞机结冰及防、除冰的重要地面模拟设备，其结冰云雾参数的模拟能力需要满足FAR第25部附录C29对温度-粒径-液态水含量的要求[1-3]。位于试验段上游的喷雾系统是结冰风洞的核心配套设备，可用来获得飞行器穿越含有过冷水滴云层飞行时的模拟云雾环境。

结冰风洞模拟云雾环境包括在不同温度、不同压力和不同风速条件下，试验段的平均水滴直径(MVD) 、液态水含量(LWC)、云雾粒子均匀性和水滴温度的热稳定性等。

在喷雾系统中，喷嘴的雾化特性决定了喷嘴出口处云雾粒子的粒径及水流量。风洞试验段气流的温度、湿度和速度是影响云雾参数的外部因素。其中，温度、湿度和速度影响了云雾粒子在由稳定段向试验段运动过程中的蒸发速度，同时，气流的速度还会导致到达试验段的云雾粒子的覆盖面积发生变化，而风洞内的低压力环境则会造成喷嘴的雾化性能(MVD，流量，雾化锥角等)相对常压校准时发生改变。云雾粒子的初始粒径、液滴温度等会影响粒子的蒸发率、沉降速率等，是影响云雾参数最终状态的内部因素[4-11]。

美国NASA格林中心的IRT结冰风洞针对雾化喷嘴的性能做了大量的研究工作，通过优化喷嘴的设计，使得粒径范围和试验段云雾均匀性得到了改善。在意大利CIRA的IWT结冰风洞中，研究人员通过一系列试验，得出了实验室环境和风洞吹风环境下喷嘴蒸发、沉降特性、喷嘴布置方式和气流速度对云雾粒子覆盖区域的对比结果；通过数值仿真，模拟了喷嘴喷出的云雾粒子到达试验段后的覆盖面积、液态水含量分布等特性，有效地指导了喷雾系统及云雾参数的调试、优化工作。

本文通过实验手段，在小型结冰风洞及低压测试平台中，测量气流速度、压力以及粒子初始粒径、初始温度的变化对小粒径喷嘴(10～55μm) 雾化性能(粒径、水流量) 产生的影响，推导不同环境因素对喷嘴雾化效果的影响规律，寻找风洞实际运行条件下喷嘴雾化性能与常规喷嘴测试平台测试结果之间的差异。

1 实验装置及测试方法

1.1 实验装置介绍

在0.3m×0.2m结冰风洞中进行不同气流温度、速度、压力以及不同的粒子初始粒径、初始温度对雾化性能的影响实验研究。 0.3m×0.2m结冰风洞是一座闭口回流式亚声速风洞，如图1所示。该风洞采用一台轴流风扇驱动，试验段截面尺寸为0.3m(宽) ×0.2m(高)，试验段气流速度模拟范围为21～210m/s，气流温度模拟范围15～-40℃，压力模拟范围5～101kPa(0～20000m高度) 。

图1 0.3m×0.2m结冰风洞

测试用的喷嘴安装在稳定段内的喷雾架上，喷嘴位于稳定段截面中心。喷嘴出口距试验段中心截面约2m。

在喷嘴低压测试平台上进行不同环境压力对雾化性能影响的实验研究。喷嘴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2m3，由水环真空泵配合1个补气阀门精确控制真空度，真空泵抽速40L/s，压力调节范围30～101kPa，压力控制精度0.5kPa。

使用1台离心泵为喷嘴供应去离子水，使用氮气瓶组为喷嘴供气，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。使用电加热器为去离子水加热，水温调节范围15～95℃，温度调节精度±2℃。供水、供气系统可分别向结冰风洞和低压试验台内的喷嘴供应一定压力的去离子水和氮气，其流程如图2所示。

图2 供水、供气系统流程

使用PDI(相位多普勒干涉仪) 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。PDI在0.3m×0.2m结冰风洞驻室及试验段内的安装如图3所示。

图3 PDI在结冰风洞中的安装

光学发射探头和接收探头前部都安装有透镜。在本项试验中，由于测试粒径较小，选择使用较短的透镜焦距。发射镜头和接收镜头的焦距分别为350和400mm。

对钢筋混凝土桥梁在正常使用极限状态短期荷载作用下的变形进行检算。该桥实心板梁在汽车荷载作用下跨中最大挠度计算结果见表4。

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

在风洞压力为101kPa的条件下，测量0.3m×0.2m结冰风洞试验段中心处的MVD值，并与静态校准(101kPa，15℃，无风速) 环境下的测量结果做比较。风洞及喷嘴初始参数设置如下：

(1) 气流速度：40m/s，60m/s；

(2) 气流温度：-15℃；

(3) 喷嘴入口水温：48℃，68℃；

(4) 喷嘴初始MVD：16.8μm(气压0.3MPa，水压0.35MPa)，20.6μm(气压0.25MPa，水压0.4MPa)。 在101kPa及低压(39和54kPa) 的条件下，在真空试验台上测量距喷嘴出口200mm轴线上的MVD值，并同时测量水流量，比较不同环境压力下喷嘴的雾化性能及MVD -流量包线范围。控制气压范围0.05 ～1.0MPa，水压范围0.05～1.2MPa。

2 实验结果及分析

2.1 喷嘴的静态性能测试

在15℃、101kPa、无风速的状态下测量2个供水、供气压力状态(气压0.3MPa、水压0.35MPa以及气压0.25MPa、水压0.4MPa) 下喷嘴轴线上的MVD，并将测试结果作为基准值。在这2种状态下，测得的MVD值分别为16.8和20.6μm，如图4所示。滴谱分布图显示，这2种状态下，其粒径-体积分数分布均呈现较好的正态分布。

图4 喷嘴静态测试结果

2.2 气流环境对MVD的影响

在结冰风洞试验段测量单个喷嘴喷出的云雾粒子在不同气流环境的条件下，从稳定段进入试验段后的MVD变化规律，由于飞行距离短，粒子直径小，且不存在多个喷嘴的相互干扰，因此，在对其变化规律进行分析时，可不考虑粒子的沉降和碰撞因素，只需考虑粒子的蒸发速率。

云雾粒子的蒸发率λ可以表示为：

其中：

式中:kg为气体导热系数，cg为气体比热，ρl为液体密度，Red为雷诺数，Prg为气体的Prandtl数，T为温度,hf,g为对流传热系数。 从式中可以看出，影响云雾粒子蒸发率的主要因素有：基于粒子初始直径和速度的雷诺数Red以及气流和粒子之间的温度差Tg-Tl，由于粒子初始温度难以测量，因此取喷嘴入口水温做为粒子初始温度。

图5和6分别给出了静态及不同来流速度、不同喷嘴入口水温及2种初始粒径条件下喷嘴轴线上MVD的比较。从图中可以看出，静态条件和不同来流环境条件下，喷嘴轴线上的MVD发生了较大变化：有来流时，云粒子在风洞中飞行2m的距离后，MVD增大。之所以MVD值没有因为蒸发而减小，是因为小粒径的水滴在飞行过程中，其粒径减小的变化率要高于大粒径的水滴[11]，从而导致在其滴谱分布上，小粒径水滴所占的体积分数的变化率要高于大粒径水滴，从而导致MVD值增加。

此外，气流环境及喷嘴入口水温对粒子最终MVD的影响也较为明显：随着气流速度和水温的增加，MVD均减小。这是因为速度增加导致粒子雷诺数增加进而造成蒸发速率增加，同时，由于粒子温度增加，其在气流中进行蒸发过程的距离更长。

图5 D0=16.8μm时，风洞环境对MVD的影响

图6 D0=20.6μm时，风洞环境对MVD的影响

初始粒径为16.8μm时，气流环境变化对MVD造成的影响最大约为9%，初始粒径为20.6μm时，气流环境变化对MVD造成的影响最大约为18%，可见，粒子雷诺数增加也会造成其蒸发速率的提高。

从前面的研究结果可以看出，云雾粒子在运动过程中其MVD的变化率大于结冰风洞对MVD控制误差不大于10%的要求，因此，在进行结冰试验时，不能忽视粒子的蒸发特性对试验段MVD的影响。

2.3 低压环境对雾化特性的影响

由于喷嘴出口环境的影响，会导致在相同的供水、供气压力条件下，喷嘴的水、气压力与环境压力的压差发生变化，从而导致喷嘴的雾化特性发生改变。

对于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。

图7分别给出了供气压力pair分别为0.1、0.4和0.8MPa，环境压力分别为95、54和39kPa条件下，喷嘴的MVD与水压pwater的关系曲线。从图中可以看出，在低供气压力时，环境压力带来的喷嘴供气压差的改变对喷嘴的雾化性能影响较大，随着环境压力的升高，供气压差越小，MVD越大，这是因为对于空气辅助雾化喷嘴来说，供气压力越低，其MVD随水-气压差的改变所产生的变化范围也越大，从而导致在低供气压力条件下，喷嘴MVD的变化对由于环境压力变化所导致的水-气压差的改变更为敏感。相反，随着供气压力的提高，环境压力对喷嘴供气压差的影响越来越小，不同压力环境下，MVD值的差异也逐渐减小，此时供水的压差的改变对MVD的影响逐渐显现出来，从而导致出现环境压力越高、MVD越小的现象。

图7 环境压力对MVD的影响Fig.7 MVD result under different pressure conditions

不同的环境压力对喷嘴的水流量影响很小，在风洞LWC误差的控制范围内，如图8所示。

图8 环境压力对流量的影响

由于环境压力对喷嘴MVD的影响如此明显，因此，在不同的环境压力条件下，喷嘴的包络线将会出现很大的变化。如图9所示，随着环境压力的降低，喷嘴的MVD-流量覆盖范围出现了整体偏移，且这种偏移对大粒径范围来说更为明显。

图9 环境压力对喷嘴包线的影响

3 结 论

在0.3m×0.2m结冰风洞和低压喷雾试验台上，对结冰风洞气流和压力环境对内混式空气助雾化喷嘴的雾化性能的影响进行了测试，得到以下结论：

(1) 云雾粒子从稳定段向试验段飞行过程中，水滴的蒸发对云雾的MVD影响较大，达到10%以上；

(2) 风洞的气流速度及粒子的初始温度越高，粒子的雷诺数越大，云雾粒子的蒸发速率越大；

(3) 环境压力对喷嘴的粒径和包络线影响较大，随着环境压力的降低，喷嘴的流量-粒径包络线整体收窄，但对喷嘴的流量影响不大；

(4) 通过本项研究工作，对结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响有了一定的了解，以此为基础，可以指导结冰风洞云雾参数及其均匀性的调试工作。

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(编辑：杨 娟)

Preliminary research on spray nozzle atomization characteristics in icing wind tunnel environment

Fu Cheng*, Peng Qiang, Zhang Haiyang, Wang Chao, Wu Shenghao

(Facility Design and Instrumentation Institute, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000, China)

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 water droplet size (MVD) are determined by the performance of the spray nozzle of performance on SBS. The enviromental parameters of the icing wind tunnel operation such as the pressure, temperature, wind speed and diameter of liquid droplet can change the final atomization characteristics in the test section. In the 0.3m×0.2m icing wind tunnel with low pressure spray nozzle testing platform, we used Phase Doppler Interferometer(PDI) to measure the droplet evaporation rate and spray nozzle performance envelope in different icing wind tunnel operation environments. The experimental results show that: the icing wind tunnel flow condition can change the MVD when the liquid droplets fly into the test section through the contraction section; when the wind speed, the temperature and Reynold number of liquid droplet increase, the evaporation rate of droplet will also increase; the ambient pressure has an indispensable influence on the MVD and spray nozzle performance envelope; as the ambient pressure reduces, the spray nozzle flow mass-MVD envelope is narrowed down, but the spray nozzle water flow mass is hardly influenced. These experimental results can be used in the icing wind tunnel for icing cloud simulation and uniformity debugging.

icing wind tunnel;spray nozzle;atomization characteristic;MVD;experiment

1672-9897(2015)03-0030-05

10.11729/syltlx20140064

2014-06-23;

2014-10-07

国家自然科学基金(11172314)

FuC,PengQ,ZhangHY,etal.Preliminaryresearchonspraynozzleatomizationcharacteristicsinicingwindtunnelenvironment.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 30-34. 符 澄, 彭 强, 张海洋, 等. 结冰风洞环境对喷嘴雾化特性的影响初步研究. 实验流体力学, 2015, 29(3): 30-34.

V211.73

A

符澄(1982-)，男，江苏如东人，工程师。研究方向：风洞气动设计。通信地址：四川绵阳中国空气动力研究与发展中心(621000)。E-mail:fucheng111@sina.com

*通信作者 E-mail: fucheng111@sina.com