漸開線霧化螺旋噴嘴的噴射型面幾何模型

1、漸開線霧化螺旋噴嘴的噴射型面幾何模型【摘要】提出了一種具有漸開線霧化面的新型螺旋噴嘴。采用內(nèi)外雙圓錐的空心螺旋噴 射型面，使設(shè)計的噴嘴體應(yīng)力分布更均勻，克服了傳統(tǒng)螺旋噴嘴的霧化面具有部分重疊過渡 面的缺點。根據(jù)霧化平面的要求，對漸開線的首尾進行了優(yōu)化處理。對螺旋角進行漸變設(shè)計， 采用動坐標系向定坐標系映射的方法推導(dǎo)了噴射型面的空間幾何模型，使用Mailab對設(shè)計 的型面進行了仿真。結(jié)果驗證了所提出兒何模型的有效性，為螺旋噴嘴的設(shè)計和制造提供了 理淪依據(jù)。利用噴嘴進行液體的霧化是一種常見的工程技術(shù)，覆蓋了從農(nóng)業(yè)灌溉、射流清洗、水霧 滅火、噴霧干燥到霧化燃燒、噴水冷卻等工程領(lǐng)域。由于噴嘴的結(jié)構(gòu)對霧

2、化的效果具有極其 重要的作用，因此其研究日益得到廣泛的重視。Shigeru等人研究了環(huán)形螺旋人口結(jié)構(gòu)的噴 嘴。冉景煌等人設(shè)計了具有漸擴切向槽的低壓噴嘴在眾多形式的噴嘴中.螺旋噴嘴采用機械原理進行霧化，具有霧化壓力低、噴射通徑大 等特點，對霧化過程的泵送系統(tǒng)和霧化液體中固體顆粒的要求較低，近年來得到了廣泛的應(yīng) 用。螺旋噴嘴的實心霧化面一般由2-4圈的同心霧化圓形組成。根據(jù)噴霧壓力和流量不同. 每個同心圓具有一定的厚度，因此，霧化顆粒的均勻性受同心圓形狀的約束。在對現(xiàn)有螺旋噴嘴進行分析的基礎(chǔ)上，提出一種具有漸開線霧化面的噴嘴.并對漸開線 首尾進行優(yōu)化處理。采用內(nèi)、外雙圓錐的空心螺旋噴射型面，并根據(jù)

3、螺旋噴嘴的漸開線霧化 平面的要求，對螺旋面的螺旋角進行漸變設(shè)計，推導(dǎo)噴射型面的數(shù)學模型，使用Matlab對 推導(dǎo)的模型進行仿真。1漸開線霧化面1.1螺旋噴嘴工作原理如圖la，具有一定壓力和速度的液體從上向下流過螺旋噴嘴時，其外層部分液體撞擊噴 嘴上呈一定角度的螺旋面，從而改變噴射方向離開噴嘴。定義液體撞擊噴嘴的開口底面為噴 射面，圖la所示的螺旋面E，和F.相對應(yīng)是噴射上螺旋面尸。定義在垂直于噴射軸線的一定 距離上，霧滴組成的平面為霧化面，如圖lb平面F所示。從微觀上看，由于噴嘴螺旋錐體 長度的存在，霧化面應(yīng)當是一個凹球面。但是，相對于較長的霧化距離，螺旋錐體的長度可 以忽略不計.因而可以近似

4、認為是一個平面。(a)(h)圖1螺旋噴射霧化示意圖由于不同層錐體噴射面流線與噴嘴軸心的夾角（螺旋角）不同，而且角度逐層減小，因而 在霧化面可以形成具有相同間距的同心圓形狀一般設(shè)計霧化面由2-4個相互聯(lián)結(jié)的同心圓 組成。當逆向投射到螺旋噴嘴噴射面的幾何結(jié)構(gòu)時，由于在同一圈螺旋面內(nèi)具有相同的螺旋 角，而不同圈的螺旋面其螺旋角不同，相鄰圈螺旋面之間的螺旋面必然具有明顯的轉(zhuǎn)換面. 如圖la的G，因而在霧化面上可以看到明顯的直線過渡帶（面），如圖lb的H。由于面G的存 在使得螺旋噴嘴螺旋體的強度具有應(yīng)力集中的缺點.而且霧化面的液滴分布也會在月處出現(xiàn) 霧滴重疊，不利于霧化液滴的均勻分布。1.2帶首尾處理的

5、漸開線方程為了克服現(xiàn)有同心圓連接型霧化面螺旋噴嘴的缺點，提出采用漸開線作為霧化面結(jié)構(gòu)，并對 漸開線的首尾進行優(yōu)化處理。如圖2所示，令漸開線霧化面型線總?cè)?shù)為t.漸開線基圓半徑 為，一，漸于線上的點的漸開角為91.則可知節(jié)距P = 27rr。對于右旋漸開線，當cE 27r, 2tir+ 1. 5司時，其上的任意點的坐標為（少 E 2兀，2m+l. 5冗）（1）rsmp 甲式中.當漸7線為左旋時，V為式（1）取值的相反數(shù)，不變。理論分析易知，距離噴嘴越遠處 的霧化面面積越大，因此不同位置的霧化面漸開線的具體參數(shù)是變化的。圖2漸開線霧化面示意圖式（1）的取值范圍表示漸開線的coE 0.2ir）部分不

6、予加工，這是因為該部分相對整體尺寸 太小。由于螺旋噴嘴一般具有2-4圈螺旋錐體，為了保證漸開線的最后部分形成收斂狀，其 最后二/2部分改用反旋向的漸開線（漸閉線）代替。應(yīng)用三角函數(shù)關(guān)系進行化簡，可得在（PE 2tir+ 1. 5ir, 2tir+2rr）部分，其上的任意點的坐標為“ =廣（?08（4/丸+3兀一甲）+ （4/乳+3丸一甲）9= （4m+3冗一伊）+ 伊）-（2廠sin （，1*冗+ 3丸中）（甲C 2兀+1. 5兀，2兀+2兀）綜合式（1）-（2）即為帶首尾優(yōu)化處理的漸開線平面方程。從圖2可以看出，漸開線 霧化面的圓形度比同心圓連接霧化面略差.在對同心度沒有非常嚴格要求的情況下

7、可廣泛使 用。2螺旋噴射型面空間幾何模型2.2螺旋型面結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)漸開線霧化面的要求，設(shè)計采用一種異構(gòu)螺旋噴射面，該螺旋面具有內(nèi)外雙圓 錐的空心螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋角隨軸向位置的變化而變化，因此不會出現(xiàn)圖1中劇烈轉(zhuǎn)換面Go令噴射螺旋錐體的上(大)直徑為D,下(小)直徑為Dz，壁厚為“。取漸開線霧化面 最外圈(n =7c/2處)對應(yīng)的霧化錐角為a,。最內(nèi)圈(n=2t二處)霧化角為a2。易知任意噴射螺 旋面的霧化角等于該處螺旋角的2倍。由于外界對噴霧液滴的阻力，其實際霧化角在距離噴 嘴的遠端會逐漸變小。但由于其變化是整體性的，因此可以忽略阻力引起霧化角變化對螺旋 型面幾何模型的影響。式(12)即為噴射異

8、構(gòu)螺旋面的方程，各參數(shù)取值范圍同式(6)人-(11)。根據(jù)式(12)可以 求出螺旋面上任一點的坐標，所有在取值范圍內(nèi)的滿足式(12)要求的點構(gòu)成噴射螺旋面。在圖1中。上螺旋面E只有與內(nèi)圓錐相切的點構(gòu)成的螺旋線與噴射霧化有關(guān)，因此 只需要與B保持固定節(jié)距即可，不再贅述。對于面F.上的其他點，當設(shè)計采用鑄造/注塑成 型時，一般以重量為目標進行優(yōu)化;當采用數(shù)控加工時，一般以保證不發(fā)生刀具干涉為目標， 對噴霧效果本身沒有影響。由于采用了內(nèi)外雙圓錐的空心漸變螺旋角螺旋噴射型面，所提出的噴嘴具有漸開線 型的霧化面，從而克服了同心圓連接型霧化面不可避免的霧化過渡面重疊的缺點，設(shè)計出的 噴嘴體強度分布更均勻。具有新型噴射型面的螺旋噴嘴消除了重疊的霧化過渡面。因此在同等的流體介質(zhì)、 壓力、流量等霧化參數(shù)條件下，比傳統(tǒng)同心圓螺旋噴嘴具有更好的霧滴分布均勻性，可以獲 得更好的霧化效果。4結(jié)束語采用內(nèi)外雙圓錐的空心漸變螺旋角螺旋噴射型面，提出了一種具有漸開線霧化面的 新型螺旋噴嘴。根據(jù)霧化平面的要求.對漸開線的首尾進行優(yōu)化處理。采用動坐標系向定坐 標系映射的方法，推導(dǎo)了噴射型面的空間幾何模型，并采用Mat