（环境工程专业论文）旋切式喷嘴的雾化机理及其工业应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 喷嘴是喷淋、喷雾、喷油、喷砂等工艺中的关键部件。研究喷嘴雾化的机理，分析喷 嘴的雾化方法、雾滴形成过程，对改进喷嘴结构、提高雾化效果具有重要意义。 本文在介绍各种常用喷嘴的结构和雾化机理、对比各种喷嘴优缺点的基础上，提出一 种新型旋切式喷嘴的结构。这种旋切式喷嘴的结构简单、喷雾量无限可调、喷雾锥角调整 灵活、防堵塞、雾化效果好。 然而旋切式喷嘴内部流体的流动状态非常复杂。喷嘴的雾化过程通常是喷嘴内部流场 和喷嘴外部流场共同作用的结果，因此分析喷嘴内流场很有必要。为了解喷嘴内流场对喷 嘴的雾化特性的影响，分析喷嘴内部的流动状态，本文通过建立数值模型、设定网格划分、 边界条件和初始条件、计算控制参数，采用商用软件c f x 对旋切式喷嘴内部的气液两相 流场、速度场、压力场等进行模拟研究，为旋切式喷嘴的设计和优化提供依据。 通过数值模拟研究发现，在旋切式喷嘴内部液流已经被气流剪切雾化成细小颗粒，其 均匀的分散在气流中，在混合室内部形成气液混合流，形成一次雾化。当气液混合流脉冲 喷出喷孔时，体积进一步膨胀，同时，高速液滴在外部空气流的作用下，产生二次雾化， 促进了雾化效果。由于液体在喷嘴内部混合室内已雾化，喷孔的直径可以增大。因此，喷 孔直径的增大，能有效地避免喷孔堵塞现象。 最后介绍和分析了旋切式气液两相喷嘴在高温烟气降温冷却、垃圾焚烧除酸塔喷雾烟 气净化以及矿山开采过程中的除降尘等方面的工业应用。研究表明：旋切式喷嘴可广泛应 用于能源、动力、化工、食品、医药、陶瓷、建筑、冶金、环保等几乎所有工业领域。 关键词：c f d 数值模拟；新型喷嘴；雾化；喷嘴内流场；工业应用 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o z z l ei sam a j o rc o m p o n e n ti nm a n yd e v i c e s t os t u d yt h em e c h a n i s mo ft h en o z z l ea n d a n a l y s i si t sa t o m i z a t i o nm e t h o d si su s e f u lf o ru si ni m p r o v i n gt h en o z z l e ss t r u c t u r e t h i sr e s e a r c hh a si n t r o d u c e da l ls o r t so fn o z z l e ss t r u c t u r ea n da t o m i z a t i o nm e c h a n i s m w h i c hw a sc o m m o n l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c e b a s e do nc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h o s en o z z l e ，h a v ep r o p o s e dan e wt y p eo ft w o - p h a s en o z z l ew h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha si th a sas i m p l e rs t r u c t u r e ，i n f i n i t e l y - t u n a b l em i s tf l u xa n dt h es p r a ya n g l e c a nb ea d j u s t m e n tf l e x i b l e t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi se n s u r et h a tt h el i q u i ds p r a ys m o o t h l y a n dt h ea t o m i z a t i o ne f f e c t so u t s i d et h eo r i f i c e sa r ev e r yw e l l t h ef l o ws t a t e ( e s p e c i a l l yt h et w o - p h a s ef l o w ) i n t e r i o rt h en o z z l ei sv e r yc o m p l e x b u tt h e i n t e r n a lf l o wc a l ls i g n i f i c a n t l ye f f e c tt h en o z z l e sa t o m i z a t i o n b o t ht h ei n t e r n a lf l o wf i e l da n d t h ee x t e r n a lf l o wf i e l dh a v ea f f e c t e dt h ea t o m i z a t i o n i no r d e rt ou n d e r s t a n dh o wt h ei n t e m a l f l o wf i e l di n f l u e n c e dt h ea t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i e s t h i sa r t i c l eu s e dc o m m e r c i a ls o f t w a r ec f x t 0d ot h es i m u l a t i o n b e f o r et h es i m u l a t i o n , t h en u m e r i c a lm o d e le s t a b l i s h m e n t ，t h e 鲥d p a r t i t i o n ，b o u n d a r yc o n d i t i o na n di n i t i a lc o n d i t i o n sa n dc o n t r o lp a r a m e t e rs e t t i n gw e r en e e d e d u s i n g t h eh u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt oa n a l y z et h en o z z l ei n t e m a lf l o wf i e l di sa ne f f e c t i v e m e t h o d ，a n dw ec a ne a s i l yg e te v e nt h et i n yc h a n g e so nv e l o c i t y , s t r e s sa n dv o r t e xf i e l d s o ，i ti s u s e f u lf o rt h i sn e wn o z z l e ss t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z e t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h es t u d yh a df o u n d e dt h a tt h el i q u i dh a v eb e e nt u r n e d d r o p l e t sw h i c hf l o w i n gw i t ht h ea i r f l o wi n s i d eo f t h en o z z l e t h i sf o r m e dt h ef i r s ta t o m i z a t i o n t h e n , t h eg a s l i q u i df l o wb u l k e dw h e ns p o u t i n go u tf r o mt h ej e to r i f i c e u n d e rt h ee x t e r n a la i r i n t e r a c t i o n s ，t h ed r o p l e t sf o r m e das e c o n da t o m i z a t i o nw h i c hp r o m o t e dt h ea t o m i z a t i o ne f f e c t s f r o mt h i sa s p e c t ，i n c r e a s et h ed i a m e t e ro fs p r a yh o l ew o n ta f f e c ta t o m i z a t i o ne f f e c t s ot h i s 1 d i l do fn o z z l ei se f f e c t i v e l yf u n c t i o n i n gt oc l o g g i n gp r e c a u t i o n f i n a l l y , t h i sr e s e a r c hh a se m p h a s i z e dt oi n t r o d u c et h i st w o p h a s en o z z l eh a sa l r e a d yu s e d i nc o o l i n gh i g ht e m p e r a t u r ef u m e , g a r b a g ei n c i n e r a t i o ns y s t e ma n ds o m eo t h e rm i n i n gp r o c e s s r e s e a r c hs h o w st h a tt h i sk i n do fn o z z l ec a nu s ei na l m o s te n e r g y , p o w e r , p e t r o l e u mi n d u s t r y , c h e m i c a le n g i n e e r i n gf o o d ，m e d i c i n e ，c e r a m i c s ，c o n s t r u c t i o n ，m e t a l l u r g y , e n v i r o n m e n ta n df i r e p r o t e c t i n gi n d u s t r i e s k e yw o r d s ：c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；n e wt y p en o z z l e ；a t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ； n o z z l ei n t e r n a lf l o w ；i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章引言 1 1 喷嘴的发展 喷嘴是液体雾化的必要装置，被广泛运用于能源【1 1 、动力【2 1 、化t 3 】、食品、医药、陶 瓷、建筑、冶金【4 】、环保【5 1 等的几乎所有工业领域。 喷嘴的发展已有百多年的历史，其起源可以追溯到液体燃料刚被内燃机采用的1 9 世纪 8 0 年代。1 8 8 7 年，德国人发明了燃油汽化器，可以很好的雾化汽油。汽化器可以说是气动 式喷嘴的雏形；1 8 9 2 年，狄塞尔发明了柴油机，首次在发动机内采用直射喷嘴喷射高粘度 的液体燃料，进行雾化燃烧；2 0 世纪初，出现了离心雾化喷嘴。研究者将一段有螺纹的螺 杆插入压力喷嘴内，使燃油沿着螺杆产生旋流后雾化，其雾化效果得到提高；2 0 世纪3 0 年 代，人们采用了旋转喷雾实验而探索出的喷雾方法来干燥粘土悬浮液，旋转喷嘴问世；2 0 世纪6 0 年代，蒸发管和空气雾化喷嘴克服了燃气轮机燃烧室冒烟、积碳及火焰筒壁温过高 等问题，也实现了喷嘴技术在燃气轮机应用上的第一次创新，空气雾化喷嘴技术日益成熟 【q ；2 0 世纪9 0 年代初以来，人们开始关注超声雾化技术。有研究结果证明，超声波燃烧器 的雾化性能( 无论是雾化粒径还是液滴的均匀度) 要比普通类型燃烧器的更好。 可以看出，喷嘴技术随着喷嘴的广泛运用而快速发展着。喷嘴技术的发展主要体现在 喷雾方式、结构的多样化和多适用性等方面；也体现在喷雾质量的评定指标的扩展和检测 手段的发展和完善。 1 2 液体射流雾化机理研究 从2 0 世纪3 0 年代以来，学者们尝试着用各种理论来解释说明喷嘴的雾化机理，如湍流 扰动理论、边界条件突变学说、压力震荡学说、空穴论、表面不稳定性理论等。目前还没 有哪一种理论能很完善的解释喷嘴的雾化机理。 为研究方便，有人将喷射雾化过程分成三个阶段：液体在喷嘴内部的流动阶段； 液体喷出后的射流破碎雾化阶段；雾滴在气体中进一步雾化破碎阶段。其中阶段是雾 化的主要阶段，可用表面不稳定性理论解释。该理论认为高速射流和周围气体之间的气动 干扰作用，在某些力的作用下会迅速而有选择性地增长，而引起射流液柱表面不稳定的波 动。当不稳定波动的速度增加，波表面长度越短，射流就被雾化，其雾化后的颗粒直径可 达微米量级。通常液体射流的雾化大致分三类：液滴状破碎、液丝状破碎和液膜状破碎。 在喷嘴的雾化过程中，这三种形式一般同时存在，相互作用。 1 2 1 液滴状破碎理论 最早的研究者l e n a r d 和h o c h s c h w e n d e r ，分别研究了自由下落的大液滴和小液滴在稳定 气流中的破碎。在他们之后，学者们都开始关注液滴的破碎过程分析，实验加上理论研究 得出：液滴破碎可分为两个过程，即变形过程和破碎过程。文献【7 】利用高速摄影技术得出 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 了液滴不同破碎方式：液滴在旋转气流或平行气流中，先被压扁成椭球形后破碎；液 滴在平行双曲线形气流或c o u e t t e 气流中，先拉伸成雪茄形状，然后破碎；不规则气流中， 液滴上形成凸起的褶皱部分，并逐渐与本体分离，形成更小液滴，即表面剥离破碎模式。 椭球状变形雪茄状变形凸状变形 图1 1 液滴破碎示意图 在稳定气流中，液滴以何种方式变形和破碎主要由气液两相的物性，即空气动力 ( d y n a m i cp r e s s u r e ) 、密度( d e n s i t y ) 、表面张力( s u r f a c et e n s i o n ) 和粘性力( v i s c o u sf o r c e s ) 等决定。对于低粘度液体，液滴破碎则主要受气动力、液体表面张力的影响，当两者相等 时，液滴开始破碎，就有： c 孚伊r 2 d 盯 ( 1 - 1 ) 式中：c 是系数，d 为液滴直径，p g 为气体密度，u r 为气体和液体的相对速度，盯为表 面张力系数。 将式( i - i ) 化简，写成无量纲的形式： 业：旦( 1 2 ) 盯c 式( 1 2 ) 的左端被称为韦伯数( w 。数) 【8 1 ，那么该式的右端就是液滴破碎的临界w e 数的值。对于粘性液体，临界韦伯数为1 2 。而、矾数实际上也就是气动压强( 去岛u r 2 ) 和 表面张力引起的液滴压强( 竺d ) 之比。根据定义可知，当气动压强大大于表面张力引起 的液滴压强时，液滴就能破碎。 影响液滴破碎的因素很多，而w 擞只是其中之一。液滴破碎是表面张力与外力平衡的 一个动态过程，液滴破碎与液体的物理性质有关。破碎需要有一个响应时间，即只有当外 界对液滴作用维持足够的响应时间时，液滴才会破碎。液体粘性及质量惯性影响了液滴的 瞬间变形和破碎。考虑液体粘性对破碎的影响，h i n z e l 9 】定义了另外一个无因次数z 准数， 亦即o h e s o r g e 数： z = 盟r e = = 傩 ( 1 - 3 ) 0p 脚 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 式中：r e 为雷诺准数，r e ：p t u a d ( g l 为液体的粘度，岛为液体的密度) ， w 。数和z 准数通常称为液滴的破碎准则。o h n e s o r g e 在其研究的基础上得出：在雷诺数 较小的范围内，雾化主要是由液束表面的振动而引起的；在中等雷诺数时，雾化程度与液 柱上出现的波的运动有关；当雷诺数越大时，惯性力克服粘性的能力越大，液体的粘性影 响小，液滴容易破碎。应强调指出的是，雷诺数对液滴破碎的影响很复杂，通常是一种次 要因素，但对附着在壁面的液层来说，雷诺数的作用不可忽略。 2 对于粘性液滴破碎，当上，_ w 时，液体即发生破碎和雾化直到 w e k f ( t ) - 2 ( 1 - 5 ) p g 其中：岛和& 分别为液体和气体的密度，l 为喷孔长度，d 为喷孔直径。 k ：( o 5 3 以百而1 1 5 ) 7 4 4 t = 象嘲 m 6 ， & l - | 们) 一6 、 1 e - l 。r ) ( 1 - 7 ) 1 2 3 液膜状破碎理论 薄膜状液滴的破碎方式有三种：轮缘形破碎方式、穿孔形破碎方式和波动形破碎方式。 液滴破碎后的粒径大小及分布情况与破碎方式有密切的关系。 ( 1 ) 轮缘形破碎 由于液膜受液体的表面张力影响会在薄膜的边缘处先收缩，形成像轮缘一样较厚的液 膜，之后这个轮缘会以射流破碎的方式破碎成细小液滴。如果液体的粘性和表面张力很高， 就会出现轮缘形薄膜的破碎形式，然在此种破碎模式下生成的液滴尺寸较大。 ( 2 ) 穿孔形破碎 当液膜受到同一空间内液滴的碰撞或由于液膜自身湍动而引起压力的变化时，液膜会 被刺穿而形成大小不均的孔洞，这些孔洞与相邻的孔洞纵横交错在一起，形成网状液丝， 最后液丝破碎成尺寸不一的液滴。这样的破碎方式称为穿孔形破碎。穿孔形薄膜破碎最初 的孔洞出现在离喷孔一定距离的液膜上。 ( 3 ) 波动形破碎 一般，液膜本身湍动造成的压力波不至于将液膜刺穿而生成孔洞。但是随着液膜波动 的增强，液膜上的某些小部分会在波节处或波峰处被撕扯下来，被扯下来的这部分液膜由 于表面张力或外力的作用而收缩成小液滴。这种波动形破碎方式可由图1 2 来描述。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 图1 2 波动形薄膜破碎模式示 当液膜形成表面波后，其振幅( a ) 的控制方程可表示为： = l 鼍铲一警l 9 ， 下标：，一为液体，旷为气体。 从式( 1 9 ) 可知，气体的速度“g 和液体粘性肛是影响液体表面波振幅的两个重要因 素。当不能忽略气动力与表面张力时，波速”可以表示为： “= 【( 烈2 万) + ( 2 万丑岛) 】2 ( 1 - l o ) 式中：口= ( 4 c ks i n 2 勿g p i ) - & 2 2 ( 1 1 1 ) 气泡雾化的机理不同于射流雾化，它是把压缩空气以某种适当的方式注入到液体中， 在喷嘴内形成使气泡两相流；在喷孔处，稳定的气泡会剪切或挤压液体，而形成大量含有 液丝或液线微小气泡喷出喷孔；气泡在离开喷孔极短时间内，由于气泡外压急剧减小促使 气泡迅速膨胀最后破裂，形成微细的液滴群【1 4 , 1 5 , 1 6 。 1 3 喷嘴技术的研究现状 复杂喷嘴的雾化研究一直是国内外学术界较为活跃的领域。早期的科学工作者主要是 从理论和实验两方面对喷嘴喷雾特性进行研究。然而，随着数值计算技术的发展，数值模 拟在雾化研究中应用越来越广泛，迄今为止对喷嘴的研究仍处于不断发展和完善之中。 理论分析、实验测试和c f d 数值模拟三者构成了分析流体流动等复杂问题的完整体 系，它们三者之问是相互联系、相互促进，同时又是不可完全替代、各有侧重点。图1 3 给出了表征三者之间关系的“三维”流体力学示意图【1 7 1 。 图1 3 “三维 流体力学示意图 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 1 理论研究现状 对喷嘴的理论研究主要是对喷雾雾化机理的研究。在研究的历史上，科学工作者们为 了解释雾化现象提出了很多观点和学说，如空气动力干扰说、压力震荡说、湍流扰动说、 空气扰动说、边界条件突变说等。一些研究者通过实验方法总结出一些喷雾计算模型，为 初步设计时方便喷嘴的性能估计。 章明川【1 8 】等人根据空气动力的破碎理论和表面波的不稳定理论，在简化喷嘴出口处油 膜的初级破碎和二次雾化的基础上，建立了一套较完整的能对y 型喷嘴进行性能预测及优 化设计的数学理论方法。而l u n d 的实验【1 9 】显示液体表面张力的增加会使颗粒的直径减小， 粘度的增加会导致颗粒至今的轻微增加，并利用w e b e r 理论进行了解释。w 觚g 方法i z u j 研究 了气体注入方式对气泡雾化喷嘴雾化效果的影响，发现在极低气液质量流量比情况下可以 获得较其他类型喷嘴更细的液雾颗粒。周华f 2 1 】等人对高压细水雾灭火喷嘴的雾化特性进行 了一系列理论分析，并选择某一平均直径经验公式进行仿真分析，但分析结果未经过实验 验证。刘乃玲【2 2 】等人深入分析喷嘴的雾化机理和液体的雾化特性，建立了细密雾化喷嘴的 准则关系式，并得出喷嘴平均直径的经验公式，用于预测喷嘴喷出孔后液滴的平均粒径。 喷嘴内部流动非常复杂，常牵涉到多维流动和多相流动等问题。当前对喷嘴的雾化机 理研究仍然不成熟，形成的理论多半是半经验性的，因此还有待于提高和发展。 1 3 2 实验研究现状 最早时期的主要手段是利用实验的方法对喷嘴进行雾化机理研究。通过实验能直观地 看到喷雾一些特征，如雾化角和贯穿距离等，然而实验研究受实验条件的限制较大。随着 现代测试技术的快速发展，通过试验的方式能得出很多衡量雾化效果的参数：包括液雾粒 径、分布尺度等。可以说，喷雾的实验研究水平跟测量仪器的发展密切相关，测试技术的 发展加深了人们对喷雾雾化的认识。早期对雾化液滴的测量方法有t 熔化石蜡法，液氮冷 冻法，氧化镁涂层印痕法等。这些方法的缺点就是测量时处理时间过长、工作量过大、测 量时的喷雾状态跟喷嘴实际工作状态有差别而造成数据准确率不高等。 由于光学技术的发展，普遍采用激光技术来测量喷嘴喷雾的粒径和相关参数。目前常 用的测试技术就有：激光散射测试技术、激光多普勒测试技术、粒子图像测试技术( p v i ) 、 激光c t 技术。与测试技术相适应的测试仪器有马尔文粒度仪、激光多普勒测速测粒仪、p v i 激光粒子测速仪等。 马尔文粒度仪( m a l v e m ) 的基本原理是利用激光散射技术来测量喷雾的平均粒径。将激 光通过要测的液雾后，测量散射光的能量分布，由散射光的强弱通过一定计算后得出粒子 的平均直径。马尔文粒度仪测量的是光束内液雾平均s m d 以及液滴的尺寸分布。l e f e b v r e 2 乃j 利用马尔文粒度仪研究喷嘴的几何参数和喷雾特性、燃油特性和工作参数对喷雾特性的影 响，总结出了许多经验公式。刘联胜、傅茂林等人【2 4 1 利用激光衍射粒度仪对气泡雾化喷嘴 下游流场进行了实验研究，主要分析了雾化颗粒直径随径向和轴向距离变化的趋势，得出 了喷嘴出口处气液两相流型和颗粒自身重量的影响有关，液雾颗粒沿径向呈现非轴对称分 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 布。 激光多普勒测速测粒仪【2 5 1 ( p d a p d p a ) 的基本原理是将相互垂直的四束激光( 两束蓝 光、两束绿光) 穿透流体照射在随流体一起运动的微粒上，检测微粒散射光的频率，通过频 率变化同步得到微粒的流场变化。用激光多普勒试技术测量时的流场不受干扰，因此测量 结果较为精确。该试技术已经被许多研究者用于实验测试，周华1 2 6 j 等人在研究了喷嘴直径 和压力对雾化特性的影响时，利用p d p a 测量雾化特性参数。s o l t a n i 【，m 、h e b r a r d 2 s 1 及顾洪 斌【2 9 】等人也利用p d a p d p a ，研究了喷嘴出口处的喷雾的平均s m d ，以及喷雾在轴、径、 切三个方向上的速度和雾通量分布等。 粒子图像测试技术p 【3 0 】是在流动显示的基础上，充分吸收现代计算机技术、光学技 术、图像分析技术而发展起来的最新测试技术。p i v 的基本原理是：利用脉冲激光片光源 在极短时间内对喷雾场进行摄像，用图像处理的方法得到一个二维平面上的喷雾场，并且 将该二维平面内流场的所有速度、加速度信息及液雾的空间分布信息及时记录下来。 h o l t z c l a w l 3 1 】、万吉安【3 2 】等人运用该技术分析喷嘴出口处速度随喷嘴结构及工作参数的变化 对喷雾锥角和液膜厚度的影响。李继保【3 习等人用激光粒子测速仪得到锥形液膜子午截面波 动破碎图像，研究了在不同液压差下液膜半锥角及液膜破碎前长度的变化规律。 1 3 3 数值模拟研究现状 随着计算机和商用计算流体力学软件的迅猛发展，各种各样的计算机辅助设备越来越 多的运用于指导工业生产，数值模拟可以很好的克服传统理论分析和实验测试方法的不 足，并为解决实际工程问题开辟了新的道路，成为一种热潮受到学者的追捧。过去只能靠 实验才能得到的某些结果，现在已经完全可以借助c f d 模拟来准确获取【3 4 j 。在计算机上实 现一次数值计算，实质上就是在计算机上做了一次物理实验，并且, c f d 方法可以灵活的分 析各种因素对喷嘴雾化的影响，形象可视喷嘴雾化内在机理，方便对喷嘴工作参数以及结 构参数的优化。 从9 0 年代以来，研究人员就开始用数值模拟的方式对喷嘴雾化进行了一系列研究，并 为雾化的实际应用提供了理论基础。r i z k 【3 5 】等人运用实验和数值模拟结合的方法研究了气 体雾化喷嘴燃油雾化、液滴湍流扩散、液雾蒸发以及燃烧等一些参数的变化情况，并总结 出了有一定应用范围的经验公式。冯凌寒等人【3 6 】利用c f x 技术软件对冲击式水轮机的喷嘴 与喷针流道进行了数值模拟，得到其流场内的速度分布与压力分布关系以及流动损失情 况，并对喷嘴与喷针流道设计进行几何优化。钟丽娜【3 7 】通过对喷嘴流道的数值模拟，得到 喷嘴内部流场、速度、压力的分布状况，并得出压力梯度、速度梯度及湍动能过大是造成 喷嘴喉部能量损失的主要原因。尹俊连等【3 s l 等采用v o f 多相流模型和r n gk - e 湍流模型对 旋流喷嘴内部气液两相流动进行了数值模拟，表面旋流喷嘴内部流动为r a n k n e 涡结构，其 雾化特性可通过分析出口处流场得到。 与实验研究相比，用c f d 方法对喷嘴进行雾化研究具有很强的适应性。许多实际的喷 嘴雾化问题的控制方程为非线性，自变量多，边界条件复杂，无法用分析法进行求解，然 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 c f d 技术可以求得其数值解；此外，c f d 方法不受几何物理模型的限制，可以通过改变计 算参数来研究不同工况的雾化情况，比较省时省钱，灵活性大。其缺点是数值模拟依赖于 基本控制方程的可靠性，加上当前雾化模拟中还有很多机理性的问题仍未完全解决，喷雾 模型中或多或少还包含着简化假设和人为的经验因素，喷雾雾化的精确性还依赖于描述雾 化机理方程的可靠性；同时c f d 方法本身仍是一种近似方法，它的结果仍应与实验或其它 精确结果进行比较。因此，对雾化进行数值模拟研究时，要与理论分析、观测和实验机结 合，才能较好地解决各种雾化问题。 1 4 本文主要工作和研究内容 旋切式喷嘴是一种创新型的气液两相喷嘴，压缩气体在旋流筒内形成高速下旋气流剪 切、冲击液流，在喷嘴腔内一次雾化后与气流混合均匀，由喷孔喷出后液滴二次雾化。本 文研究的目的是运用数值模拟方法确定旋切式喷嘴内流场特性，以研究此种喷嘴的雾化机 理。研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在经典喷嘴雾化理论基础上，分析适用于新型旋切式喷嘴的雾化机理，并建立 喷嘴雾化的相关数学模型。 ( 2 ) 利用计算流体力学软件进行旋切式喷嘴内流场的三维数值模拟计算。对喷嘴在 不同工况下的内流场进行数值模拟。 ( 3 ) 根据计算结果，分析喷嘴内流场的速度分布、压力分布以及气液混合等特性， 进而了解所研究喷嘴的喷雾特性。 ( 4 ) 举例分析新型旋切式喷嘴的工业中应用状况，并对旋切式喷嘴未来的应用状况 进行展望。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 第二章常用喷嘴的雾化机理分析及新型旋切式喷嘴的提出 喷嘴发明之初，人们对喷嘴的雾化机理研究主要是为了改进和完善雾化技术，其雾化 机理的研究往往滞后于雾化技术的应用。事实上，对喷嘴雾化的机理进行研究，分析出喷 嘴的雾化方法、雾滴形成过程及雾化效果，对喷嘴结构改进具有重要指导意义。本章通过 介绍各种雾化喷嘴的优缺点，提出了一种新型旋切式喷嘴的结构，着重分析新型喷嘴的设 计优点和内部流场情况。 2 1 常用喷嘴的种类与雾化机理分析 喷嘴的发展是为了能更好的满足人们对喷射和雾化的需求。各种喷嘴的结构不同，喷 射和雾化的方式也不同，因此它们的应用领域也各有不同，雾化性能和加工难度等的差别 很大。 2 1 1 压力雾化喷嘴 压力雾化喷嘴被广泛运用于各行业中，根据喷嘴内部结构不同可分为：直射式喷嘴、 单路喷嘴、双路喷嘴、双口喷嘴、回流喷嘴及扇形喷嘴等，如图2 1 所示。 液体 三 液体一 第一流道一 第二流道一 第二流道一 第一流道一 黧= 三三虱 麟一电 图2 1 压力喷嘴简图 平孔喷嘴单路喷嘴双路喷嘴双1 3 1 喷嘴回流喷嘴扇形喷嘴 所有压力雾化喷嘴的共同特点是：将压力转换为流体动能，在喷孔处形成高速运动的 液柱射流或液膜射流。当射流与周围低速的气体介质相遇，液柱或液膜受气流的扰动作用 而破碎雾化。压力喷嘴的雾化主要发生在液体喷出喷孔后气、液相对速度较低的下游区域。 一般，液体的湍流、喷嘴的空腔、环境气体密度的增大和气体动力作用都会对液体的雾化 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 有利。 2 1 2 旋转雾化喷嘴 如图2 2 所示，旋转喷嘴分转盘式和转杯式喷嘴两种，工作原理为：将液体喷射到一个 高速旋转的面上，借助离心力将液体甩出，在气动力的作用下使液体雾化。旋转喷嘴雾化 包含了液滴状破碎、液丝状破碎和液膜状破碎三种方式。当液体流量很小、离心力大于表 面张力时，大液滴从转盘边缘直接被甩出，表现为液滴状破碎；当流量和转速增大时，液 滴被拉成丝状后破裂；当进一步增大流量和转速时，液丝会连成薄膜后与周围空气发生摩 擦而雾化。值得指出的是：旋转喷嘴中液体的雾化是离心雾化和速度雾化交互作用的结果。 在旋转喷嘴中，可以通过调整液体流量和转杯( 转盘) 的转速来控制液膜的厚度和雾化液 滴的均匀度。 液体 液体 - + 图2 2 旋转喷嘴简图 转盘式喷嘴 转杯式喷嘴 旋转喷嘴适用于粘度范围很大的各种液体，其雾化后液滴的均匀度可通过调整液体流 量和转盘速度来控制。旋转喷嘴主要用于喷雾干燥、冷却设备上，也用于喷漆等【3 9 1 。 2 1 3 两相流雾化喷嘴 由于空气动力对液柱射流的破碎和雾化作用非常显著，因此，在喷嘴设计过程中常常 借助空气或蒸汽等流体的扰动来增强液体雾化效果，这种喷嘴称为两相流喷嘴，包括空气 助力喷嘴、喷气喷嘴、气泡喷嘴和气哨喷嘴等。图2 5 仅仅给出了部分典型的两相流喷嘴简 图。 各种两相流喷嘴的雾化机理均是利用高速的空气或蒸汽在喷嘴内部( 或外部) 与低速 液体相互冲击、剪切摩擦作用而使液柱破碎，由于喷嘴结构不同，其雾化过程有些差异。 图2 3 中的和同属于空气助力喷嘴，但在内混式喷嘴在中雾化锥角会随着空气流速的变 化而变化；外混式喷嘴虽然在任何流量下能保持雾化锥角基本不变，但是需要的空气驱动 力较大。和为属于喷气喷嘴，与空气助力喷嘴相比，最大的特点是空气流量很大，可 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 以保证好的雾化效果。 气泡喷嘴的主要构思是将高压气体在喷嘴内部上游区域直接溶于液体，在液体内部产 生气泡利用气泡作为雾化的动力。气哨喷嘴和静电喷嘴在实际中用的比较少。 兰二萤空气一l 叫 液体一三氯 执! 查 液体一 空气一 二二二二二= = 图2 j 典型两相流喷嘴简图 内部混合空气助力喷嘴_ 夕 部混合空气助力喷嘴平流喷气喷嘴预膜喷气喷嘴 2 1 4 常用喷嘴的优缺点对1 七1 4 0 j 上述的各种喷嘴都有它特定的用途和雾化特点，压力喷嘴和旋转喷嘴是以较高的液体 速率喷射进入相对缓慢的气体环境中，而两相流喷嘴则是以较低的液体速率进入相对较高 速率的气流中或是较大速率气流对较低速率液体的扰动作用。各种喷嘴根据应用领域的不 同都有其优点和缺点，见表2 1 所示。 2 2 新型旋切式喷嘴的提出 压力喷嘴的结构比较简单便于加工设计，但工作时所需要的压力较高；旋转喷嘴的雾 化角大，但雾化后形成的颗粒较大；常用的气液两相雾化喷嘴的雾化角较小，要达到一定 质量的雾化质量也需要较高的空气压力。 本节综合喷嘴的优缺点，提出了一种新型旋切式气液两相喷嘴的结构，此喷嘴具有结 构简单、雾化效果好的特点。 2 2 1 旋切式喷嘴的结构 旋切式雾化喷嘴的结构较简单，仅由：进液管、进气管、混合室、喷孔、 挡板和扇形板等组成。 幽r 瞥彗 嚣錾，暴岳器酣螫，凰熟鲥螫一3呈基，蝼巾，椎列曩，县器耐、，咖浆嚣鬟冬器爿h幂刁毒圹篓ff暴p娶爿h暴辩旷鬟爿h暴辩圹篓爿h娶爨器爿h暴辩旷鬟爿h品冬寨爿h 幂愈晕姝，蝼*摹姝嶷蜒爿，喽卜甚姝删堰暴辩f篓葵爵，醛磊噬俺删堰蟹粼雄暴辩扩爿h娶罨臀越暴p暴圹饕冬器爿h娶暴刁毒旷鬟暴臀越捏孓犀鲤是，扩螫嚣畏涨 彬眯较睾馘窖蟾趟制菸螫糨联揆皋排营蟾谜渊妥螫器辑晦陲k鄂s锹伊擦餐葚姝 瓢群旷毯嚣窿榷 榭捌峰甚琳蓝肇越斛媾旷菸螫 鞯媛姑甚蛛丑繁潮g髦窭咪温k旷州鹾惺随榷扩州坦握隧耀：雕 鲥啭基餐爨戳榷州越留扩翳叵跫餐忙 k 群辣鼷甚排k 搿梨氍摹姝r 坦菸馨恒皋锹蚓爝拉矮埋霞攀皋排r幽长螫恒减基耧榭铎凝尊酞盥鳃捌、f，蹙瞎 q ：=，) ：= ( 壬一詈) ( 一1 c ) 对于有旋f 有涡1 运动，q o ，如图2 8 所示；而对无旋( 或无涡) 运动q _ _ 0 1 4 2 , 4 3 , 4 4 , 4 5 1 ，如图 2 9 所示。 b 图2 8 有旋运动示意图图2 9 无旋运动示 2 3 2 内流场的速度分布 图2 1 0 流体在喷嘴内运动示意图 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 p + c l p 图2 1 1 旋转流体受力不葸图 流体在旋切式喷嘴内部流动轨迹近似为一条螺旋线，如图2 1 0 所示每一微元流体的速 度是空间矢量，可以分解为三个速度分量，即切向速度、径向速度t l ，、轴向速度“：。由 于切向速度、径向速度沿半径方向上分布是不均匀的【蚓。在喷嘴内壁的截面取宽度为办， 厚度为如的微元体进行分析，如图2 1 l 所示。由伯努利方程得： h ：旦+ 笪+ 笠+ 笠( 2 2 ) p 2g 2 92 9 式中：日一流体总压头： p 半径，处的静压力； u o 、u r 、u z 一，处的切向、径向和轴向速度。 对式( 2 2 ) 在沿半径厂取微分，并且忽略径向速度u ，和轴向速度材：沿径向的变化，则可得： d n ：! 字+ 丝单( 2 - 3 ) d r pd rgd r 沿径向作用在该微元体d r d o d z 上的离心力应与静压力相平衡，即： 【( p + d p ) 一p p 毗= 删钇警2 ( 2 - 4 ) 对上式整理得： 鱼：区 ( 2 5 ) d ， ， 将( 2 5 ) 式代入( 2 3 ) 式，并整理得： d h u o ( d u o g d r _ + 警) 办 ( 2 - 6 ) k 理想状态下，流体沿切向进入喷嘴所具有的能量等于出口的能量，旋转流体呈自由涡 运动特性。，其流体的总压头日无变化，即d h = 0 ，由( 2 - 6 ) 可得旋转流体的运动的基本 方程式： 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 盟+ 鱼= 0 d p ，- 将式( 2 7 ) 积分得：i n u o r = c 即： u o r = c ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 说明：在自由涡中圆周速度与半径的乘积为常数c 。即：速度与半径成反比关系， 质点的速度随半径的增加而速度减小。但是在实际流动中，由于流体受粘性和喷嘴内壁粗 糙度影响，流体以准自由涡方式运动，符合： u o r ”= “。科 ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中，刀为阻尼指数，与喷嘴内壁粗糙度、流体粘性、流道阻力有关。 当然，流体在流动过程中满足质量守恒定律，由连续性方程可得流体的体积流量为： q 4 = a c u 。= 4 材： ( 2 - 1 0 ) 式中：q 一通过单位长度、半径r 的圆柱面的流量； 4 一流体切向进i ：1 面积； “，一流体切向进i ：1 速度； 彳，一流体在位置z 处得截面面积。 由式( 2 1 0 ) 得： q 。= 册? ”。= 万【( + zt a n 口) 2 一疗k ： ( 2 1 1 ) 将式( 2 1 1 ) 进行整理得： 驴币忑鲡( 2 - 1 2 ) 在实际的旋流场中，轴向速度分布较复杂，与设备的结构形式关系很大，所以其速度 基本规律不明显。因此，要了解轴向速度场，在进行简单的理论分析的同时，需进行根据 设备结构进行试验测定。 2 3 3 内流场的涡流性质 流体旋转运动有3 种形式：即自由涡运动、强制涡运动和组合涡运动4 7 1 。在理想的自 由涡和强制涡的组合运动中，可以忽略径向和轴向速度而近似的认为只有切向速度。在实 际旋切式喷嘴内部，受流动空间的影响其流场必定是切向、径向和轴向三速度的矢量和， 这使得旋切式喷嘴内部速度分布不同于理想的组合涡。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 4 喷嘴性能评价 喷嘴雾化特性是喷嘴性能的综合反映，它的表征参数主要包括：流量特性、液雾粒度、 液雾空间分布、液雾锥角和液雾穿透距离等。这些参数一般取决于喷嘴的结构形式、工作 参数及内部流体的物理性质等。 2 4 i 流量特性 在喷嘴的设计过程中，流量特性是喷嘴的一项基本特性，对喷嘴使用运行十分重要。 喷嘴的流量特性反映的是喷嘴流量与流体的参数( 操作参数和物性参数) 之间的相互影响 关系。通常，对流量特性的研究是研究喷嘴压降与流量的关系以及喷嘴流量系数的变化规 律。 测量流体流量的仪器有压差式流量计、容积式流量计、质量流量计和转子流量计等。 其中转子流量计是继差压式流量计之后应用较广泛的一类流量计，具有结构简单，压力损 失较低等优点，适用于微小流量监测。 2 4 2 液雾粒度 由于雾化液滴的实际颗粒尺寸各不相同，只能用颗粒的平均直径来表示液滴群的雾化 颗粒粒度，主要有以下几种方式： ( 1 ) 质量中间直径d ( m m d ) 质量中间直径d 是指在该直径以上或以下的累计质量百分数相等( 各占5 0 ) 时的液 雾直径。它可以从液雾尺寸的r - r 分布曲线上查取。 ( 2 ) 面积平均直径d 蹦：指表面等于粒子中所有颗粒平均表面积的粒子的平均直径。 d s m = 皆 协 ( 3 ) 体积平均直径 ( 4 ) 索太尔平均直径( s m d ) s m d 的定义为具有相同体积和表面积比值的粒子的平均直径，假设这个平均直径为 d s ，即有： 丛：遨 协 x n o d , 2 7 re ( n a , 2 ) 一m d 蟊= 搿 协 式中：n i 为直径为d i 液滴个数，n o 为直径为d s 液滴个数。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 s m d 值越小，表明雾滴平均直径越小，雾滴越细。它最能反应真实的雾滴群的蒸发条 件，因此最能反映干燥、燃烧等属性，在液态工质雾化中的应用十分广泛。 2 4 3 雾滴尺寸分布 为直观清楚的表达出某一粒度范围内的粒子在整个粒子群所占比例，工程上用列表法 来表达液滴或固体颗粒的粒度分布。但缺点是列表法无法更深入地了解雾滴及固体颗粒粒 度分布，看不出各参数之间的相互关系，不便于进行理论分析和实验数据的整理归纳。基 于这种认识，研究学者建立了粒度分布的数学表达式。有r r ( r o s i n r a m m l e r ) 分布、l r ( l o g n o r m a l ) 4 8 1 分布、n - t ( n u k i y a m a - t a n a s a w a ) 分。其中最常用的是r r 分布，它是一 种概率分布，其表达式为： 尺= l 一，考 ( 2 - 1 6 ) 式中：r 为粒径小于盔的液滴重量( 或容积) 占液滴总重量( 或总容积) 的百分数。d 是 特征直径，重量( 或容积) 分布中( 1 r ) ：! 所对应的滴径即为孑。n 是颗粒均匀度指数， p 该值越大表示颗粒，表示粒子尺寸就越均匀。如果n 值为无穷大，粒子就是某一单一尺寸 的了。实验表明：参数n 与喷嘴形式、被雾化介质的种类及试验状态有关。 2 4 4 雾化锥角 雾化锥角是指喷雾体的最大夹角，其值的大小判定雾化性能的一个重要指标。雾化角 口可由雾滴在喷嘴出口处的水平分速度“加和轴向分速度“加之比确定，即： 留罢= 监( 2 - 1 7 ) 二 y o 雾化角大小判定雾化性能的一个重要指标。旋流室角度和切向槽角度是影响喷嘴雾化 角大小的因素，旋流角、切向槽角增大，雾化角也随之增大；压力对雾化角的影响较复杂， 当在较小压力时，雾化角与喷嘴的工作压力相关；当达到较一定压力时，雾化角不再随压 力变化。 2 5 本章小结 本章通过对比各种喷嘴的优缺点，提出新型旋切式雾化喷嘴的结构，最后在基于各种 喷嘴雾化机理的基础上分析新型旋切式喷嘴的雾化机理，并建立旋切式喷嘴内流场的理论 表达式以及喷嘴雾化性能评价标准等。 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章旋切式喷嘴内流场模拟的c f d 理论 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ，简称c f d ) 是一门新兴学科，它将计 算机数值计算技术和图像显示技术融合，用于辅助分析流体流动和热传导等现象。通过数 值模拟分析，我们可以得到复杂问题的与流场相关的速度、压力、温度、浓度等基本物理 量，以及这些物理量在一定时间内的变化情况，如漩涡分布、空化特