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摘 要：根据压水堆稳压器喷雾头流量大、雾化区域覆盖范围广等特点，通过对喷雾头流动特性、雾化锥角、流量密度分布和雾化颗粒度四项试验，提出了一套详细、完善的测量和数据处理方法。通过三个不同固定视角摄像法测量雾化锥角，并与流量密度分布中获得角度数据进行对比。开发制作了雾化液滴流量密度收集装置，得到两个不同高度截面同一径向流量密度分布情况，从而反映出整个喷雾流场高度方向分布情况。设计制作了液滴粒径测量小室，使用摄像法获得适合粒径采集的液滴图像。最后根据试验结果，对该类型喷雾头性能特性进行了分析。
关键词：喷雾 雾化锥角 流量密度 雾化颗粒
中图分类号：TL332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0147-04
Experimental Study on Spraying Characteristics of Pressure-swirl Atomizers
Lan Zhike1 Liu Wenxing1 Lu Xiaodong1 Su Guanghui2 Zan Yuanfeng1 Zhuo Wenbin1
（1.CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology， Chengdu SiChuan， 610041， China；2. Department of Nuclear Science and Technology， Xi’an Jiaotong University， Xi’an Shaanxi， China）
Abstract： According to the atomizer characteristic with larger flow rate and range of atomizered flow， a series of experiments aiming at a detailed characterization of the sprays are presented， including the flow characteristics， the spraining angle， the spray flow rate distribution and the drop size spectrum. In order to obtain the highest detail of information about the flow rate distribution， a device of collecting liquid drop is fabricated. High-speed photographing technology is presented to depict the contour of the liquid drop. In order to perform the photographs， a small chamber with a narrow gap has devised. In the end， the experimental results were shown.
Key Words：Atomizing； Atomizing angle； Spray flow rate distribution； Drop size spectrum
压水堆（PWR）在当前核电及核动力装置中广泛应用的成熟堆型。压水堆稳压器的喷雾系统，对反应堆的运行与安全具有重要影响。无论是反应堆压力控制与保护，还是去除冷却剂系统中裂变及其它有害气体，都依赖于稳压器喷雾过程中雾化液滴与蒸汽间充分的热质交换。
由于喷雾机理的复杂性，到目前为止还没有能够完整、准确描述喷雾头性能的好方法。即使目前广泛应用的雾化模拟也在很大程度上取决于喷口附近的液滴粒径和速度分布作为初始或者边界条件能否被确定。从而可以看出，在没有获得能更好预测的喷雾性能的方法前，试验研究是获得喷雾头性能各项参数的一项重要方法。
应用于压水堆稳压器的大型喷雾头，其共同特点是：喷雾头尺寸和喷雾流量大，液滴粒径分布范围较广，普通粒径测量仪器不适用于该类型喷雾头测量。该文分别针对该类型喷雾头的流动特性、雾化锥角、流量密度分布和雾化粒径四项参数提出了一套完善的试验方案，并取得了较为满意的试验结果。
1 试验系统介绍
该试验系统使用介质为水。系统如图1所示，共由三部分组成，分别为主循环管路部分、旁通部分和排水部分。旁通管路从主管路上截止阀前接出，直接返回池内，达到为主管道分流、减压的目的。旁通管路上设有截止阀，起开关与调节旁通介质水量的作用。经过喷雾头的流量和压降数值分别从涡轮流量计和压力传感器直接读取。系统设计时，为了保证主循环管道流动稳定和测试准确性，防止阻塞流量计、喷雾头，分别在主管路入口处和减压阀前设过滤器和Y型过滤器。
2 试验设备和方法
2.1 流量特性
流量特性评价介质流体经过被测喷雾头时，压降与流量之间的对应关系，籍此判断工作压力下流量是否满足使用要求。试验时应尽可能保持环境温度、大气压力、介质温度相对稳定，尽量减少以上因素变化对试验带来的影响。该项试验中，环境温度为9.5℃；环境气压为97.81 KPa；介质为水，温度为6.5℃。
在保证试验系统稳定运行的情况下，分别记录仪表中流量和对应压降值，绘制流动特性曲线图。
2.2 雾化锥角
雾化锥角评价喷雾头雾化液滴分布范围。该项试验选用摄像法对喷雾头出口处液滴进行拍照。为了尽可能全面反映喷雾头雾化角大小，选取三个不同固定视角进行拍照，其中任意两个视角不在同一条直线上。 2.3 流量密度分布
流量密度分布指喷雾头下方雾化区域中，某一水平横截面液滴流量分布。该项指标用来评价喷雾液滴在雾化覆盖范围内均匀分布情况。
该项试验采用沿径向布置同一规格的测量管收集液滴的方法测定径向流量密度分布。用每个测量管收集到的液滴量反映该位置处液滴密度。实验装置现场测量如图2所示。
2.4 雾化颗粒度测定
雾化颗粒度指喷头雾化有效区域液滴粒径的大小。测定液滴粒径，可以用此衡量喷雾头的雾化性能。
该类喷雾头液滴粒径分布范围较大，液滴覆盖范围广，因此该项试验选择了在距离喷雾头不同两个高度对液滴拍照，用标准刻度尺进行校核，从而达到测量液滴尺寸的目的。摄像法测量液滴尺寸的关键是分离被测液滴，得到清晰图片的同时又不能干扰液滴正常分裂。雾化颗粒度测量装置示意图如图3所示。
3 试验结果讨论
3.1 流量特性试验结果分析
如图4所示得到不同喷雾头的流量特性曲线图。每条曲线代表不同喷雾头流量与压降的对应关系。可以看出，下方曲线1所代表喷雾头流量随压降变化曲线最为平缓，亦即消耗相同压降时，所获得流量变化并不明显。而最上方曲线2所代表喷雾头则相反，其所获得流量变化最大。据此，可根据不同流量或者压力工况要求选择相适应的喷雾头。
3.2 雾化锥角试验结果
雾化锥角试验结果如图5所示，曲线1附近的五个喷雾头曲线在压降从0.15 Mpa增加到0.25Mpa时，雾化锥角相对变化不大，均在97°～103°之间。而以曲线2为代变的3个喷雾头雾化锥角在压降范围内均小于70°。其中曲线2雾化锥角随压降增加变化不明显。曲线3代表的两个喷雾头随压降增加，雾化锥角减小。
3.3 流量密度分布试验结果
图6为其中一个喷雾头在确定压力工况下不同高度所测的雾化流量密度分布情况。上方曲线显示距中心0.6 m处流量较为密集，距中心0.3 m的范围内流量较小，形成一个空腔。在下方高度上的分布曲线可以看出，中心空腔扩大到距中心0.4 m的范围，而流量集中的峰值距中心距离约为1.1 m。连线两条曲线外侧、峰值和其它相似特征点，可得到喷雾头下方雾化区域不同高度上流量分布情况。最外侧连线之间的夹角可视为喷雾头的雾化锥角，与第二项所测结果可相互验证。该图中所测雾化锥角与摄像法所测结果相差小于0.5°，符合较好。
3.4 雾化颗粒度试验结果
根据2.4节中所述处理方法统计喷雾头液滴粒径。图7为其中某一喷雾头液滴粒径概率分布。从图中可以看出，粒径400μm的液滴最多，而大部分液滴粒径位于100μm～700μm之间。但因索太尔均值的计算方法中考虑了液滴体积的影响，所以该喷雾头索太尔均值大于1 mm。
4 结语
该文针对大型喷雾头的各项性能参数，提出了一套完善的试验和数据处理方法。在流量密度分布和雾化颗粒度试验中，分别制作了适应测量的雾化液滴收集装置和颗粒捕捉摄像室。试验结果证明以上试验方法针对大型喷雾头测量可行、有效。
参考文献
[1] J.Shen， X.Li， Instability of an annular viscous liquid jet[J].Acta Mechanica，1996，114：167-183.
[2] Woo Tae Kim， Sushanta K.Mitra，Xianguo Li.A Predictive model for the Initial Droplet Size and Velocity Distributions in Sprays and Comparion with Experiments[J].Part.Part. Syst.Charact，2003，20：135-149.
[3] Andreas Tratnig，Gunter Brenn. Drop size spectra in sprays from pressure-swirl atomizers[J].International Jounal of Multiphase Flow，2010，36：349-363.
[4] Henryk Anglart，Farid Alavyoon，Remi Novarini. Study of spray cooling of a pressure vessel head of a boiling water reactor[J].Nuclear Engineering and Design，2010，240：252-257.
关键词：喷雾 雾化锥角 流量密度 雾化颗粒
中图分类号：TL332 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（c）-0147-04
Experimental Study on Spraying Characteristics of Pressure-swirl Atomizers
Lan Zhike1 Liu Wenxing1 Lu Xiaodong1 Su Guanghui2 Zan Yuanfeng1 Zhuo Wenbin1
（1.CNNC Key Laboratory on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics Technology， Chengdu SiChuan， 610041， China；2. Department of Nuclear Science and Technology， Xi’an Jiaotong University， Xi’an Shaanxi， China）
Abstract： According to the atomizer characteristic with larger flow rate and range of atomizered flow， a series of experiments aiming at a detailed characterization of the sprays are presented， including the flow characteristics， the spraining angle， the spray flow rate distribution and the drop size spectrum. In order to obtain the highest detail of information about the flow rate distribution， a device of collecting liquid drop is fabricated. High-speed photographing technology is presented to depict the contour of the liquid drop. In order to perform the photographs， a small chamber with a narrow gap has devised. In the end， the experimental results were shown.
Key Words：Atomizing； Atomizing angle； Spray flow rate distribution； Drop size spectrum
压水堆（PWR）在当前核电及核动力装置中广泛应用的成熟堆型。压水堆稳压器的喷雾系统，对反应堆的运行与安全具有重要影响。无论是反应堆压力控制与保护，还是去除冷却剂系统中裂变及其它有害气体，都依赖于稳压器喷雾过程中雾化液滴与蒸汽间充分的热质交换。
由于喷雾机理的复杂性，到目前为止还没有能够完整、准确描述喷雾头性能的好方法。即使目前广泛应用的雾化模拟也在很大程度上取决于喷口附近的液滴粒径和速度分布作为初始或者边界条件能否被确定。从而可以看出，在没有获得能更好预测的喷雾性能的方法前，试验研究是获得喷雾头性能各项参数的一项重要方法。
应用于压水堆稳压器的大型喷雾头，其共同特点是：喷雾头尺寸和喷雾流量大，液滴粒径分布范围较广，普通粒径测量仪器不适用于该类型喷雾头测量。该文分别针对该类型喷雾头的流动特性、雾化锥角、流量密度分布和雾化粒径四项参数提出了一套完善的试验方案，并取得了较为满意的试验结果。
1 试验系统介绍
该试验系统使用介质为水。系统如图1所示，共由三部分组成，分别为主循环管路部分、旁通部分和排水部分。旁通管路从主管路上截止阀前接出，直接返回池内，达到为主管道分流、减压的目的。旁通管路上设有截止阀，起开关与调节旁通介质水量的作用。经过喷雾头的流量和压降数值分别从涡轮流量计和压力传感器直接读取。系统设计时，为了保证主循环管道流动稳定和测试准确性，防止阻塞流量计、喷雾头，分别在主管路入口处和减压阀前设过滤器和Y型过滤器。
2 试验设备和方法
2.1 流量特性
流量特性评价介质流体经过被测喷雾头时，压降与流量之间的对应关系，籍此判断工作压力下流量是否满足使用要求。试验时应尽可能保持环境温度、大气压力、介质温度相对稳定，尽量减少以上因素变化对试验带来的影响。该项试验中，环境温度为9.5℃；环境气压为97.81 KPa；介质为水，温度为6.5℃。
在保证试验系统稳定运行的情况下，分别记录仪表中流量和对应压降值，绘制流动特性曲线图。
2.2 雾化锥角
雾化锥角评价喷雾头雾化液滴分布范围。该项试验选用摄像法对喷雾头出口处液滴进行拍照。为了尽可能全面反映喷雾头雾化角大小，选取三个不同固定视角进行拍照，其中任意两个视角不在同一条直线上。 2.3 流量密度分布
流量密度分布指喷雾头下方雾化区域中，某一水平横截面液滴流量分布。该项指标用来评价喷雾液滴在雾化覆盖范围内均匀分布情况。
该项试验采用沿径向布置同一规格的测量管收集液滴的方法测定径向流量密度分布。用每个测量管收集到的液滴量反映该位置处液滴密度。实验装置现场测量如图2所示。
2.4 雾化颗粒度测定
雾化颗粒度指喷头雾化有效区域液滴粒径的大小。测定液滴粒径，可以用此衡量喷雾头的雾化性能。
该类喷雾头液滴粒径分布范围较大，液滴覆盖范围广，因此该项试验选择了在距离喷雾头不同两个高度对液滴拍照，用标准刻度尺进行校核，从而达到测量液滴尺寸的目的。摄像法测量液滴尺寸的关键是分离被测液滴，得到清晰图片的同时又不能干扰液滴正常分裂。雾化颗粒度测量装置示意图如图3所示。
3 试验结果讨论
3.1 流量特性试验结果分析
如图4所示得到不同喷雾头的流量特性曲线图。每条曲线代表不同喷雾头流量与压降的对应关系。可以看出，下方曲线1所代表喷雾头流量随压降变化曲线最为平缓，亦即消耗相同压降时，所获得流量变化并不明显。而最上方曲线2所代表喷雾头则相反，其所获得流量变化最大。据此，可根据不同流量或者压力工况要求选择相适应的喷雾头。
3.2 雾化锥角试验结果
雾化锥角试验结果如图5所示，曲线1附近的五个喷雾头曲线在压降从0.15 Mpa增加到0.25Mpa时，雾化锥角相对变化不大，均在97°～103°之间。而以曲线2为代变的3个喷雾头雾化锥角在压降范围内均小于70°。其中曲线2雾化锥角随压降增加变化不明显。曲线3代表的两个喷雾头随压降增加，雾化锥角减小。
3.3 流量密度分布试验结果
图6为其中一个喷雾头在确定压力工况下不同高度所测的雾化流量密度分布情况。上方曲线显示距中心0.6 m处流量较为密集，距中心0.3 m的范围内流量较小，形成一个空腔。在下方高度上的分布曲线可以看出，中心空腔扩大到距中心0.4 m的范围，而流量集中的峰值距中心距离约为1.1 m。连线两条曲线外侧、峰值和其它相似特征点，可得到喷雾头下方雾化区域不同高度上流量分布情况。最外侧连线之间的夹角可视为喷雾头的雾化锥角，与第二项所测结果可相互验证。该图中所测雾化锥角与摄像法所测结果相差小于0.5°，符合较好。
3.4 雾化颗粒度试验结果
根据2.4节中所述处理方法统计喷雾头液滴粒径。图7为其中某一喷雾头液滴粒径概率分布。从图中可以看出，粒径400μm的液滴最多，而大部分液滴粒径位于100μm～700μm之间。但因索太尔均值的计算方法中考虑了液滴体积的影响，所以该喷雾头索太尔均值大于1 mm。
4 结语
该文针对大型喷雾头的各项性能参数，提出了一套完善的试验和数据处理方法。在流量密度分布和雾化颗粒度试验中，分别制作了适应测量的雾化液滴收集装置和颗粒捕捉摄像室。试验结果证明以上试验方法针对大型喷雾头测量可行、有效。
参考文献
[1] J.Shen， X.Li， Instability of an annular viscous liquid jet[J].Acta Mechanica，1996，114：167-183.
[2] Woo Tae Kim， Sushanta K.Mitra，Xianguo Li.A Predictive model for the Initial Droplet Size and Velocity Distributions in Sprays and Comparion with Experiments[J].Part.Part. Syst.Charact，2003，20：135-149.
[3] Andreas Tratnig，Gunter Brenn. Drop size spectra in sprays from pressure-swirl atomizers[J].International Jounal of Multiphase Flow，2010，36：349-363.
[4] Henryk Anglart，Farid Alavyoon，Remi Novarini. Study of spray cooling of a pressure vessel head of a boiling water reactor[J].Nuclear Engineering and Design，2010，240：252-257.