1 前言
随着工业、经济的发展，雾化方法在燃烧、冷却、干燥、加湿、农药喷撒等诸多行业的应用越来越广泛。雾化质量是表征喷嘴性能的重要参数，也决定着实际工艺过程的质量效果。雾化质量是由雾滴群的尺寸分布、平均尺寸、喷雾雾化角以及流量密度分布等等特征参数来表征的。其主要指标有雾化角、雾化粒度。研制一种能测量喷嘴的流量、雾化空气流量、喷雾雾化角、雾滴群的尺寸分布、平均尺寸等一系列的特征参数的通用喷嘴试验装置对于衡量喷嘴的实际工作效率是很有必要的。
2 喷嘴雾化质量的主要性能指标
衡量雾化质量的主要指标有雾化角、雾化粒度等。
2.1 雾化角
雾化角有几种不同的表示方法。如图1 所示。
(1) 出口雾化角
在喷嘴的出口，作雾化边界的切线，两根切线的夹角即为出口雾化角，用α表示。出口雾化角的数值与理论计算值比较接近。
(2) 条件雾化角
在离喷嘴一定的距离处，作一垂直于雾化中心线的垂线，或以喷嘴出口中心为圆心作一圆弧，它们与雾化边界得到两个交点，该两点和喷口中心相连，两连线的夹角即为条件雾化角。国内常用的距 离半径为 200 mm~250 mm。在距离为 x mm处测得的条件雾化角用αx表示，在半径为 x mm处测得的条件雾化角用αR=x表示。
条件雾化角随所用的距离或半径而变，是有条件性的，它便于测量，能更真实地反映雾滴的运动方向，因此实际应用中常常采用条件雾化角来衡量雾化效果。
影响雾化角的因素很多，所以建立经验公式的难度也加大，美国纽约州立大学的N. Ashgriz 等人根据大量的实验结果提出了如下的经验公式：
式中，θ为雾化角;α为经验值，大约在 1.7左右;β取 500;;雷诺数 。为喷孔表面积与直径比，对于一个喷孔来说，其是一个定值。对于一个 =2.3 的喷孔来说，根据经验公式推算出的雾化角误差在5°左右。
大量实验表明：影响雾化角的因素相当多。对于空气雾化喷嘴，空气帽的结构对它的雾化角影响很大，圆形喷嘴与扇形喷嘴相比雾化角要小得多。
2.2 雾化粒度
雾滴形状的多样化使得雾滴的大小只能用某些具有统计意义的平均尺寸来表征，常用体积—表面积平均直径 D32表示，也就是索太尔平均直径 SMD(Sauter MiddleDiameter)。
对于雾化粒度的研究，比对雾化角的研究要成熟得多。影响雾滴粒度的主要因素有：喷孔直径、喷雾的工质压力和介质压力、喷嘴形式等等。
从大量的实验可以证明：喷孔直径明显地影响着喷雾滴径的大小，它们几乎呈线性关系;对于机械雾化喷嘴，雾化粒度的大小随雾化工质压力的升高而减少;而对于介质雾化喷嘴，雾滴平均滴径随喷雾的工质压力的升高而增加，随雾化介质压力的增加而减少。
3 雾化角测量原理
用具有USB接口的CCD 摄像头扫描喷嘴雾化的图像，并将图像信号传至计算机，运用编制的软件对图像进行增强、锐化、滤波及边缘检测处理，得到雾化角。图像处理关键部分在于锥角的计算。喷嘴喷出的雾滴呈现出如图 2(a)的形状，通过边缘检测以后，可以检测出 x1、x2、x3(x1、x2为激光束与雾化图像边缘线的交点，x3为雾化图像的顶点)的坐标，根据这三点所确定的三角形(三角形顶角及为雾化角)就可以求出雾化角α，如果采用两束激光束的话，就可以如图 2(b)所示利用边缘检测求出 x1、x2、x4、x5(x1、x2、x4、x5分别为两束激光束与雾化图像边缘线的交点)的坐标，然后根据这四点所确定的四边形(四边形中线段 x1x4、x2x5的夹角即为雾化角)就可以计算出雾化角α。
设 x1、x2、x3、x4、x5的坐标分别为：(x1, y1)、(x2, y2)、(x3, y3)、(x4, y4)、(x5, y5)，则在图 2(a)中，已知1x 、2x 、3x 的坐标，雾化角α可用下式进行计算：
在图2(b)中，已知1x 、2x 、4x 、5x 的坐标，雾化角α可如下式求解：
x3、y3满足如下条件：
4 雾化粒径测量原理
如图 3 所示，由激光器发出的光束经针孔滤波及扩束器后变成一束平行单色光。当该平行光照射到测量区的颗粒群时便会产生光的散射现象。用接受透镜使由各个颗粒散射出来的相同方向的光聚集到焦平面的相同位置上，在这个焦平面上放置一个多元光电探测器，用来接受散射光的空间光能量分布。光电探测器由 31 个半环组成，它将照射到每个环面的散射光能量转换成电信号，所有各环上输出的电信号经放大和模数转换后一起送入计算机，计算机根据测得的各环上的衍射光能量按预先编好的计算程序可以很快确定出被测颗粒的尺寸分布、平均直径及颗粒浓度等。
根据米氏理论，在接收透镜的后焦平面即多元光电探测器上，颗粒的光强分布可表示为：
设测量区由许许多多大小不同的颗粒所组成，并设直径为 Di的颗粒数共有 NI个，则该颗粒群所产生的总光能将是每种颗粒所产生的衍射光能的总和。这时，光电探测器第 n 个光环上的总光能就为：
其中，en(Di)为直径为 Di的颗粒在光电探测器第 n 环上的光能量，wi为直径为 Di的颗粒的重量频率。
采用函数限定法求解上式中的粒径大小及其重量频率。先给出被测量颗粒群的尺寸分布(例如，假定服从 R-R 分布，给定特征参数 X 和 N)，在一定的粒径大小分档下，有给定的尺寸分布函数可求出重量频率。代入(3)中，将求出的各环光能量与实测的各环光能量进行比较，不断的修正尺寸分布函数的特征参数，重复上述过程，直至以下目标函数值达到最小。
式中，ecn、emn分别为个环衍射光能分布的计算值和测量值。实践指出：当光电探测器的环数为 15 时，误差满足下式即可：
5 实验装置研究
在以上雾化粒度和雾化角测量原理的指导下，研制了如图 4 所示的全性能喷嘴雾化性能试验装置。整个实验装置由三部分组成：雾化装置和测量喷雾粒度的激光测粒仪和CCD 摄像头组成。雾化装置由稳压水箱、控制阀、储气筒和螺杆压缩机、喷嘴等组成。激光测粒仪主要由激光源和光信号接收处理二部分组成。CCD 摄像头固定在雾化室的一侧的中央，以便能全部拍摄下喷雾的全景。
6 实验结果及结论
选用了 Spring Systems Co.生产的 SU22 和 SUN23 两种喷嘴以及一些机械喷雾喷嘴的喷雾情况进行了实验研究。实验分两部进行：① 固定气压，测量不同水压下的雾化粒度和雾化角;② 固定水压，测量不同气压下的雾化粒度和雾化角。SU22 的部分实验结果如图 5、图 6 所示。
通过实验，得出如下结论：① 随着气压/水压比的增加，雾化粒度变小雾化角变大。② 每一种喷嘴都有一定范围的稳定工作工况。③ 实验所测得的雾化角与 SU22 提供的雾化角基本吻合，证明此测量装置的可行性。
参考文献
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作者简介：胡传胜(1977-)，男，上海理工大学动力机械及工程专业硕士研究生。
