渐开线雾化螺旋喷嘴的喷射型面几何模型

1、渐开线雾化螺旋喷嘴的喷射型面几何模型【摘要】提出了一种具有渐开线雾化面的新型螺旋喷嘴。采用内外双圆锥的空心螺旋喷 射型面，使设计的喷嘴体应力分布更均匀，克服了传统螺旋喷嘴的雾化面具有部分重叠过渡 面的缺点。根据雾化平面的要求，对渐开线的首尾进行了优化处理。对螺旋角进行渐变设计， 采用动坐标系向定坐标系映射的方法推导了喷射型面的空间几何模型，使用Mailab对设计 的型面进行了仿真。结果验证了所提出儿何模型的有效性，为螺旋喷嘴的设计和制造提供了 理沦依据。利用喷嘴进行液体的雾化是一种常见的工程技术，覆盖了从农业灌溉、射流清洗、水雾 灭火、喷雾干燥到雾化燃烧、喷水冷却等工程领域。由于喷嘴的结构对雾

2、化的效果具有极其 重要的作用，因此其研究日益得到广泛的重视。Shigeru等人研究了环形螺旋人口结构的喷 嘴。冉景煌等人设计了具有渐扩切向槽的低压喷嘴在众多形式的喷嘴中.螺旋喷嘴采用机械原理进行雾化，具有雾化压力低、喷射通径大 等特点，对雾化过程的泵送系统和雾化液体中固体颗粒的要求较低，近年来得到了广泛的应 用。螺旋喷嘴的实心雾化面一般由2-4圈的同心雾化圆形组成。根据喷雾压力和流量不同. 每个同心圆具有一定的厚度，因此，雾化颗粒的均匀性受同心圆形状的约束。在对现有螺旋喷嘴进行分析的基础上，提出一种具有渐开线雾化面的喷嘴.并对渐开线 首尾进行优化处理。采用内、外双圆锥的空心螺旋喷射型面，并根据

3、螺旋喷嘴的渐开线雾化 平面的要求，对螺旋面的螺旋角进行渐变设计，推导喷射型面的数学模型，使用Matlab对 推导的模型进行仿真。1渐开线雾化面1.1螺旋喷嘴工作原理如图la，具有一定压力和速度的液体从上向下流过螺旋喷嘴时，其外层部分液体撞击喷 嘴上呈一定角度的螺旋面，从而改变喷射方向离开喷嘴。定义液体撞击喷嘴的开口底面为喷 射面，图la所示的螺旋面E，和F.相对应是喷射上螺旋面尸。定义在垂直于喷射轴线的一定 距离上，雾滴组成的平面为雾化面，如图lb平面F所示。从微观上看，由于喷嘴螺旋锥体 长度的存在，雾化面应当是一个凹球面。但是，相对于较长的雾化距离，螺旋锥体的长度可 以忽略不计.因而可以近似

4、认为是一个平面。(a)(h)图1螺旋喷射雾化示意图由于不同层锥体喷射面流线与喷嘴轴心的夹角（螺旋角）不同，而且角度逐层减小，因而 在雾化面可以形成具有相同间距的同心圆形状一般设计雾化面由2-4个相互联结的同心圆 组成。当逆向投射到螺旋喷嘴喷射面的几何结构时，由于在同一圈螺旋面内具有相同的螺旋 角，而不同圈的螺旋面其螺旋角不同，相邻圈螺旋面之间的螺旋面必然具有明显的转换面. 如图la的G，因而在雾化面上可以看到明显的直线过渡带（面），如图lb的H。由于面G的存 在使得螺旋喷嘴螺旋体的强度具有应力集中的缺点.而且雾化面的液滴分布也会在月处出现 雾滴重叠，不利于雾化液滴的均匀分布。1.2带首尾处理的

5、渐开线方程为了克服现有同心圆连接型雾化面螺旋喷嘴的缺点，提出采用渐开线作为雾化面结构，并对 渐开线的首尾进行优化处理。如图2所示，令渐开线雾化面型线总圈数为t.渐开线基圆半径 为，一，渐于线上的点的渐开角为91.则可知节距P = 27rr。对于右旋渐开线，当cE 27r, 2tir+ 1. 5司时，其上的任意点的坐标为（少 E 2兀，2m+l. 5冗）（1）rsmp 甲式中.当渐7线为左旋时，V为式（1）取值的相反数，不变。理论分析易知，距离喷嘴越远处 的雾化面面积越大，因此不同位置的雾化面渐开线的具体参数是变化的。图2渐开线雾化面示意图式（1）的取值范围表示渐开线的coE 0.2ir）部分不

6、予加工，这是因为该部分相对整体尺寸 太小。由于螺旋喷嘴一般具有2-4圈螺旋锥体，为了保证渐开线的最后部分形成收敛状，其 最后二/2部分改用反旋向的渐开线（渐闭线）代替。应用三角函数关系进行化简，可得在（PE 2tir+ 1. 5ir, 2tir+2rr）部分，其上的任意点的坐标为“ =广（?08（4/丸+3兀一甲）+ （4/乳+3丸一甲）9= （4m+3冗一伊）+ 伊）-（2厂sin （，1*冗+ 3丸中）（甲C 2兀+1. 5兀，2兀+2兀）综合式（1）-（2）即为带首尾优化处理的渐开线平面方程。从图2可以看出，渐开线 雾化面的圆形度比同心圆连接雾化面略差.在对同心度没有非常严格要求的情况下

7、可广泛使 用。2螺旋喷射型面空间几何模型2.2螺旋型面结构参数根据渐开线雾化面的要求，设计采用一种异构螺旋喷射面，该螺旋面具有内外双圆 锥的空心螺旋结构，螺旋角随轴向位置的变化而变化，因此不会出现图1中剧烈转换面Go令喷射螺旋锥体的上(大)直径为D,下(小)直径为Dz，壁厚为“。取渐开线雾化面 最外圈(n =7c/2处)对应的雾化锥角为a,。最内圈(n=2t二处)雾化角为a2。易知任意喷射螺 旋面的雾化角等于该处螺旋角的2倍。由于外界对喷雾液滴的阻力，其实际雾化角在距离喷 嘴的远端会逐渐变小。但由于其变化是整体性的，因此可以忽略阻力引起雾化角变化对螺旋 型面几何模型的影响。式(12)即为喷射异

8、构螺旋面的方程，各参数取值范围同式(6)人-(11)。根据式(12)可以 求出螺旋面上任一点的坐标，所有在取值范围内的满足式(12)要求的点构成喷射螺旋面。在图1中。上螺旋面E只有与内圆锥相切的点构成的螺旋线与喷射雾化有关，因此 只需要与B保持固定节距即可，不再赘述。对于面F.上的其他点，当设计采用铸造/注塑成 型时，一般以重量为目标进行优化;当采用数控加工时，一般以保证不发生刀具干涉为目标， 对喷雾效果本身没有影响。由于采用了内外双圆锥的空心渐变螺旋角螺旋喷射型面，所提出的喷嘴具有渐开线 型的雾化面，从而克服了同心圆连接型雾化面不可避免的雾化过渡面重叠的缺点，设计出的 喷嘴体强度分布更均匀。具有新型喷射型面的螺旋喷嘴消除了重叠的雾化过渡面。因此在同等的流体介质、 压力、流量等雾化参数条件下，比传统同心圆螺旋喷嘴具有更好的雾滴分布均匀性，可以获 得更好的雾化效果。4结束语采用内外双圆锥的空心渐变螺旋角螺旋喷射型面，提出了一种具有渐开线雾化面的 新型螺旋喷嘴。根据雾化平面的要求.对渐开线的首尾进行优化处理。采用动坐标系向定坐 标系映射的方法，推导了喷射型面的空间几何模型，并采用Mat