扁平扇形喷嘴的设计特点及试验结果

　　扁平扇形喷嘴的设计特点及试验结果

　　栋源扁平扇形喷嘴的特点在于其喷射出的液体为扁平扇形,当喷嘴垂直于地面喷射时, 地面上的湿迹为狭长带状。

　　栋源扁平扇形喷嘴在农业、工业和消防中都有广泛应用,如农药喷洒,设备冷却、喷淋和清洗, 构建防火水幕等。

　　相对于其它种类喷嘴的研究 [ 1- 4] 而言, 扁平扇形喷嘴的研究较少, 主要集中在以下几方面:

　　( 1) 结构参数研究, 如文献 [ 5] 对喷射角进行了试验研究, 给出了内表面为半球面, 入射断面直径为 3. 12mm 的喷嘴喷射角和半 V 型槽角度之间的试验拟合公式;

　　( 2)雾化效果研究, 如文献[ 6] 向水中添加了 6种雾化剂, 对相应喷射液滴尺寸和速度分布进行了试验研究;

　　( 3)材料研究,如文献 [ 7] 对工程塑料制成的扁平扇形喷嘴进行了耐磨耐腐蚀试验研究。

　　以往对扁平扇形喷嘴的研究以试验研究为主, 下面将对扁平扇形喷嘴的内部结构参数设计进行系统研究, 给出具体设计方法。

　　最后对使用该方法设计的扁平扇形喷嘴进行试验研究, 验证方法的正确性。

　　1 扁平扇形喷嘴内部结构及喷射情况

　　1. 1 扁平扇形喷嘴的内部结构

　　扁平扇形喷嘴的内表面通常为半椭球面或半球面, 半球面可以看作是半椭球面的特例。

　　喷嘴头部有一个 V 型槽, V 型槽的两个斜面关于喷嘴轴线对称, 而且和内部半椭球面相贯, 形成狭长的喷口。

　　图 1左面所示为一个内表面为半椭球面的的扁平扇形喷嘴的内部结构, 是垂直于 V 型槽的轴截面图, 内表面的截线为半个椭圆, 喷嘴内部结构可由以下 4个参数完全确定:

　　d 喷嘴入射断面直径, m; a2 椭圆半长轴长度, m;

　　b椭圆中心至 V 型槽底部的长度, m; V 型槽角度的一半。

　　1.2扁平扇形喷嘴的喷射情况

　　图 2表示了扁平扇形喷嘴的喷射情况, 左面为垂直于 V 型槽的轴截面图, 右面为沿 V 型槽方向的轴截面图。

　　扁平扇形喷嘴喷出的液体沿垂直于 V 型槽的方向呈现为一个狭窄的带状;

　　液体沿 V 型槽方向呈现为一个扇形, 扇形角度通常称作喷射角。

　　所以扁平扇形喷嘴喷射出的液体为扁平扇形的喷雾, 这也是这种喷嘴的名称由来。

　　2 扁平扇形喷嘴的设计

　　2.1设计目标及内容

　　扁平扇形喷嘴的设计目标是要设计出具有一定喷射性能的喷嘴, 性能主要有喷射角θ 、流量 Q, 此外还有喷射液流厚度、喷射均匀性等。

　　扁平扇形喷嘴的设计主要就是根据喷射性能要求最终设计出扁平扇形喷嘴的 4个内部结构参数。

　　下面以喷射角 、流量 Q 作为扁平扇形喷嘴的已知条件, 研究设计 4个内部结构参数的方法。

　　2. 2 喷嘴 V 型槽角度的确定

　　文献 [ 1] 给出了喷射角 和半 V 型槽角度 之间的关系,该经验公式如下式 ( 1)所示, 它是以一些喷嘴的试验数据拟合出来的。这些喷嘴的内表面为半球面, 液体进入喷嘴时的入射断面直径 d = 3. 12mm, 半 V 型槽角度=11.4 ~59. 5度。

　　该式表明: 随着半 V 型槽角度a的增大, 喷射角减小; 反之, 随着半 V 型槽角度a的减小, 喷射角增大。不妨把该式适用范围扩大到任意入射断面直径的内表面为半椭球面的扁平扇形喷嘴。

　　根据要求的喷射角 采用数值计算方法从式 ( 1) 可解得半 V 型槽角度a , 则 V 型槽角度为 2a , 将 2a 圆整, 便于选择铣削加工所用的标准双角铣刀。

　　如果 2a 圆整后和最接近的标准双角铣刀角度相差较大, 就要定做刀具。

　　2. 4 喷嘴单面斜切口面积 A s表达式的推导

　　如图 1所示, V 型槽的两个平面在半椭球面上切出两个左右对称的斜切口, 形成喷嘴出口。V 型槽的左平面延长后在半椭球面上相交出如图 3所示的椭圆, 阴影部分为左斜切口, 下面推导左斜切口面积 A s 表达式。

　　如图 1所示, 以半椭球圆心 O 为原点, 轴线向喷嘴出口方向为 z 轴正方向, 水平向左为 x 轴正方向, 建立右手直角坐标系 O-xy z, 则内表面方程为:

　　2. 5 d、a2、b 的确定

　　A s 和 Ap 之间关系为:

　　预先给定一组 d、a2, 即可采用数值计算方法由式 ( 6 )、

　　( 20) ~ ( 22)、( 27)、( 28)解得对应的 b。虽然 d、a2、b 没有唯一解, 但存在最优解。在 根据所要求的喷射角 由式 ( 1)

　　确定之后, 优化设计数学模型的设计变量就取 d、a2、b, 约束条件为在给定压力下喷嘴流量为所要求的流量, 目标函数可以是半椭球体积最小, 从而使喷嘴尺寸最小, 使材料最省, 由此可解出 d、a2、b 的最优解。设计 d、a2、b 的尺寸及公差时还应当考虑加工精度, 所要求的加工精度应为车床、铣床所能达到的经济精度 IT 6~ IT 8, 因为如果 d、a2 选取不当时, 则可能导致 b 的加工精度要求过高, 不易加工。

　　2. 6 喷嘴内表面形状的比较

　　喷嘴内表面为半球面的优点在于可选用标准的球头铣刀加工, 生产成本低, 缺点在于要求 b 的加工精度较高; 内表面为半椭球面的优点在于要求 b 的加工精度可较低, 缺点在于加工刀具需特制, 增加了生产成本。

　　3 试验

　　试验证明设计喷嘴时流量系数 Cd 很重要, 如果 Cd 选取不当, 则理论计算得到的喷嘴压力流量特性曲线和试验得到的实际曲线会有较大差别。下面以一种喷嘴的设计为例说明设计试制喷嘴的方法。

　　4 结 论

　　以上对栋源扁平扇形喷嘴的内部结构参数设计进行了系统研究, 给出了具体设计方法。试验证明, 只要喷嘴流量系数 Cd 取值正确, 则根据上述方法完全可以设计出符合要求的喷嘴; 而 Cd 取值可以在试制过程中从结构参数相近的试制喷嘴的试验数据中计算出来, 作为修改设计时的参数; 至于影响 Cd 数值的因素及定量关系, 有望今后通过试验得到经验值表, 供设计时使用。