Мы обратились к литературе, опыту других исследователей. Выбор оказался довольно обширным; многочисленное семейство распылителей, применяемых в разных отраслях техники, можно было разделить на три основные группы по принципу взаимодействия жидкости со средой: механические, газовые, или пневматические, электрические. Простейшей форсункой является струйная: круглая струя жидкости вытекает из цилиндрического сопла, образуя при распаде факел распыливания с малым углом. Требуется много распылителей, чтобы равномерно напитать топливом объем камеры. Факел можно расширить, если струю подать под углом к воздушному потоку. Он расплющивает струю, и возникает жидкий лепесток, как бы элемент круговой пелены центробежной форсунки.
Один из вариантов прямоструйной форсунки представляет собой устройство со струями, соударяющимися под углом, или со струей, бьющей в дисковый экран, с которого она стекает в виде цилиндрической пелены — жидкого «стаканчика», переходящего в бахрому струек и капель.
Наиболее древний из вращающихся распылителей — известное Сегнерово колесо. В нем жидкость вытекает из загнутых радикальных трубочек касательно к окружности вращения. Это одно из проявлений реактивной силы. Такой принцип вращения с помощью жидкой или газовой струи был знаком еще Герону Александрийскому, античному механику и математику.
В технике используется также подача струи на внутреннюю поверхность вращающегося барабана или диска, где жидкость растекается тонкой пеленой, распадающейся после удара о диск. Мы уже упоминали разновидность такого распылителя: при «головокружительно» высоких оборотах (и очень малых расходах жидкости) он дает одинаковые капли для специальных опытов.
Сорвавшись с кромки диска или барабана, жидкая частица имеет две составляющие скорости: высокую вращательную — самого распылителя и меньшую радиальную — начального течения жидкости от центра к периферии. Результирующая скорость посылает каплю по наклонным прямым. Снижая обороты (что укрупняет капли), можно с помощью скоростной фотографии увидеть своеобразный механизм процесса распыливания.
В случае небольших расходов жидкости (первый режим распыливания) по границе диска нарастает жидкое кольцо с развивающимися волнами колебаний. Каждая волна вытягивается набухающим отростком под действием центробежных сил и отделяется в виде капли. При увеличении расхода наступает второй режим распыливания — отростки на жидком кольце превращаются в длинные нити, распадающиеся на капли. Если расход будет расти дальше, нити не смогут пропустить всю жидкость, и наступает третий режим распыливания: периферийное кольцо целиком отделяется от кромки, вытягивая за собой жидкую пелену с диска. Ее распад дает уже совсем неоднородные частицы, подобно пелене центробежной форсунки. Соответствующее устройство требует затрат дополнительной энергии, но это позволяет получать большие расходы и регулировать угол распыливания изменением числа оборотов.
Акустические и, в частности, ультразвуковые форсунки используют высокочастотные колебания, которые воздействуют непосредственно на жидкость или через граничащий с ней воздух. Колебания, передаваемые вибрирующей пластинкой или стержнем, соединенным с генератором, вызывают в жидкости стоячие волны, с гребней которых срываются капли, образуя факел распыливания. Такой интенсифицированный процесс распада в струе или пелене способствует измельчению жидких частиц и делает спектр более однородным, чем в других типах распылителей.
В газовых или пневматических форсунках (к ним принадлежит уже знакомый нам пульверизатор) есть специальные устройства с каналами, которые направляют воздух с большой скоростью соосно или под углом к жидким струям. Иногда воздуху придают вращение или пускают через полость вихря центробежной форсунки. Этим достигается дисперсность более высокая, чем в механических распылителях, ценой усложнения конструкции и дополнительного расхода воздуха.
В установке с электрическим распыливанием струя подается в электрическое поле между положительным и отрицательным полюсами. Поле вызывает на струе некоторое неравномерное распределение давления, которое деформирует струю, ускоряя рост неустойчивости и распад.
Области применения упомянутых распылителей (а их конструкции, порожденные пытливой изобретательской мыслью, все прибывают) различны: струйный и щелевой используются в поршневых двигателях внутреннего сгорания и требуют высоких давлений подачи — в 100 и более атмосфер. При очень малых соплах (в доли миллиметра) они могут давать мелкое распыливание, но здесь возникает проблема засорения отверстий и необходимости специальных фильтров. Форсунки со сталкивающимися струями применялись иногда в ЖРД, а сейчас — в противопожарных и других устройствах.
Вращающиеся распылители используются в химической промышленности для распыливания вязких жидкостей и суспензий. Газовые форсунки устанавливаются в карбюраторных двигателях и в различных технологических аппаратах (нанесение покрытий и т. д.). Акустические распылители находят применение в технике приготовления порошков, в ультразвуковых горелках, в фармакологии для приготовления особо тонкодиспергируемых лекарственных эмульсий (они хорошо всасываются тканями организма), в различных топках, сушилках, в особых очистительных устройствах, перспективных в связи с проблемой защиты окружающей среды. Электрическое распыливание применяется в некоторых технологических процессах — окраске мелкодисперсным красителем, сушке материалов и т. д.
Типы и конструкции распылителей разнообразны, но в основе их лежит единый принцип: придание потоку жидкости более неустойчивых форм и конфигураций (тонкой пелены) и «подстегивание» процесса роста волн возмущений различными внешними воздействиями (механическими вибрациями, электрическим полем, направленным потоком газа и т. п.).
«Перелопатив» груду журналов и монографий, мы убедились, что большинство распылителей имеет свою узкую «профессию» и лишь центробежная форсунка наиболее универсальна, проста и компактна. Удовлетворенные, мы вернулись к ней с новым чувством уважения. Гибко изменяя ее параметры rc , R , rвх , п, иначе говоря, геометрическую характеристику
A = rcR / rвх2 n
- можно всегда вписать форсунку в самые разнообразные условия камеры сгорания по расходу топлива, углу распыливания и дисперсности.
Возникло желание на опыте посмотреть эффект, скрытый внутри форсунки со сталкивающимися струями. Установку соорудили почти моментально, подключив к водопроводу трубку с Т-образным тройником, на концы которого надели резиновые трубочки с цилиндрическими наконечниками. Их закрепили в химических штативах, направив струи в горизонтальной плоскости друг на друга, под углом 90°. Мы чуть-чуть приоткрыли кран, давая минимальную скорость жидкости. Стеклянно-гладкие струи воды столкнулись в начальной зоне истечения. Ну чего, казалось, особенного можно было ожидать в месте соударения? Облака водяной пыли? Но нет конца изобретательности природы в мире капель и струй. И вот возникла совершенно необычная картина.
Потоки, столкнувшись, расплющились, став тонким прозрачным овалом, расположенным перпендикулярно плоскости осей по биссектрисе угла соударения. Периферия овала очерчивалась жгутами изогнутых струй; часть жидкости была даже оттеснена вспять, оказавшись позади зоны встречи (задняя вершина овала); граничные струи, обогнув пелену, снова столкнулись в передней вершине овала, и опять под прямым углом; Картина соударения повторилась вторым, меньшим овалом уже в горизонтальной плоскости (струи теперь сталкивались в вертикальной плоскости). Так, по закону цепной реакции, нанизываясь друг на друга, протянулась витая гирлянда жидких постепенно уменьшающихся овалов—теоретический анализ показал, что это эллипсы. В такой форме явление развивалось при очень малых скоростях истечения, когда силы поверхностного натяжения жидкости сравнимы с аэродинамическими — скоростным напором ρv2/2.По мере открывания крана и роста скорости жидкости число овалов уменьшается, пока не начинается распад сразу после первого овала. Конечно, жидкая пелена неустойчива и при медленном течении, и на каком-то звене возникает распыливание, но скорость роста амплитуды волн неустойчивости оказывается меньше скорости движения жидкости, и ей удается на время «убежать» от распада.
Мы провели опыт и со встречными струями, получив в поперечной плоскости большой жидкий «блин», растекшийся в тонкую пелену поперек струй. Аналогичная картина растекания (но без распада) наблюдалась при ударе струи под прямым углом . о плоскость экрана. Вдруг где-то на большом радиусе мы увидели ступеньку кольцевого валика. Ну конечно, это наш старый знакомый — гидравлический прыжок, он должен был возникнуть! Действительно, по мере радиального растекания пелена все утоньшалась, а, следовательно, при определенной малой толщине пелены h должно было удовлетвориться уже известное нам математическое условие прыжка
