內(nèi)混式扇形空氣霧化噴頭參數(shù)分析
空氣霧化噴頭具有霧化費(fèi)用低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、霧化質(zhì)量高、調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在加熱爐、干燥爐、窯爐、工業(yè)鍋爐及化工設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)液體霧化方法進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)與理論研究，研制開(kāi)發(fā)出了各種不同結(jié)構(gòu)和用途的噴嘴，并對(duì)這些噴嘴的噴嘴流量、霧化角、霧化液滴直徑及其分布等方面進(jìn)行了研究。隨著CFD的技術(shù)的發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法對(duì)噴嘴性能進(jìn)行模擬研究，一些學(xué)者對(duì)噴嘴內(nèi)部流暢和噴嘴下游夜滴在實(shí)際流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)在Y形噴嘴的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種橄欖形出口噴嘴，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量了不同氣、液壓力下該霧化噴嘴的流量、霧化角和索特爾平均粒徑及其在空間上的橫向和縱向分布；文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了一種雙流體噴嘴，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到了改噴嘴各參數(shù)之間的相互牽制關(guān)系；文獻(xiàn)對(duì)壓力式噴嘴霧化過(guò)程中氣夜傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究，考察了系統(tǒng)中液體對(duì)氣體的吸收速率，推導(dǎo)了單液滴運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系式。但上述文獻(xiàn)所研究的噴嘴大部分都不是扇形噴嘴，文獻(xiàn)所研究的噴嘴也只是在Y形噴嘴的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，目前，對(duì)扇形噴口噴嘴的報(bào)道比較少見(jiàn)。
筆者運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法，研究了非穩(wěn)態(tài)條件下不同噴嘴孔度、氣液質(zhì)量流量比對(duì)內(nèi)混式扇形空氣霧化噴嘴的外部流暢、噴嘴下游顆粒速度分布以及顆粒粒徑分布的影響。
一、物理模型
壓縮空氣經(jīng)空氣流道進(jìn)入噴嘴，咋噴嘴內(nèi)部與水進(jìn)行混合，發(fā)生強(qiáng)烈的能量交換和動(dòng)量交換，在扇形噴口處，氣液混合物被擠壓成扁平的扇形狀高速噴出，完成噴霧過(guò)程。空氣流道直徑為10mm，水流道直徑為5mm，扇形噴口度分別為0.4、0.6、0.8mm。
二、數(shù)學(xué)模型
2.1氣相端流模型
現(xiàn)有端流模型很多，包括：?jiǎn)畏匠棠Ｐ?、?biāo)準(zhǔn)模型、重整組模型、可實(shí)現(xiàn)模型及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬?？蓪?shí)現(xiàn)模型在模擬平面或圓形射流時(shí)，可以準(zhǔn)確給出射流擴(kuò)張角，因而，在噴霧計(jì)算中被廣泛的采用。
2.2液滴阻力系數(shù)
霧化過(guò)程中，假定在整個(gè)流動(dòng)區(qū)域內(nèi)保持為球形。
當(dāng)韋伯?dāng)?shù)較大時(shí)，液滴在氣相內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其形狀由初始的球形變化為非球形。情況下，液滴的形狀將變化為盤(pán)狀。由于液滴的阻力系數(shù)對(duì)液滴的形狀依賴較強(qiáng)，因此，假定液滴為球形就不合適了?？紤]液滴變形的影響，液滴阻力系數(shù)的表達(dá)
2.3液滴噴霧模型
在噴霧過(guò)程計(jì)算中，泰勒類比破碎模型被廣泛的運(yùn)用。該模型將液滴振動(dòng)及變形與彈性質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行類比，液滴m上的空氣動(dòng)力f對(duì)應(yīng)外力，彈性反應(yīng)類比液滴表明張力k，阻尼力類比液滴黏性力d，則受迫、有阻尼受控
三、數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析
3.1網(wǎng)絡(luò)劃分及邊界條件
噴嘴為圓頭扇形噴嘴，因此在計(jì)算時(shí)，適宜采用三維網(wǎng)絡(luò)劃分，噴嘴內(nèi)部和噴嘴出口處進(jìn)行局部網(wǎng)絡(luò)加密。噴嘴為對(duì)稱體，采用六面體網(wǎng)格，噴嘴下游流體擴(kuò)散區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。
以空氣和液態(tài)水為工作介質(zhì)，空氣為連續(xù)相，液態(tài)水為離散相，分別對(duì)0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mm的噴嘴孔口寬度下，，氣液質(zhì)量流量比為百分之17、百分之20.百分之23、百分之26、百分之28的噴霧工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)為5秒。
3.2計(jì)算結(jié)果分析
模擬過(guò)程中采用藕合模型，氣體相采用歐拉連續(xù)介質(zhì)模型。首先對(duì)連續(xù)相一空氣在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行計(jì)算，空氣經(jīng)過(guò)扇形噴嘴后，被擠壓成扇形形狀向下游充分發(fā)展，當(dāng)連續(xù)相計(jì)算收斂后，再加入離散相一液態(tài)水進(jìn)行噴霧過(guò)程計(jì)算，噴霧過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)藕合計(jì)算，液滴在端流流動(dòng)的攜帶下，在噴嘴下游擴(kuò)散，完成噴霧過(guò)程。
3.2.1空口寬度噴嘴性能的影響
液滴在端流氣流的攜帶下，在噴嘴下游空間充分?jǐn)U散開(kāi)從黑色至灰色一次標(biāo)記色為黑色的顆粒群，由于噴出的液滴和周圍環(huán)境流體存在較大的相對(duì)速度，離開(kāi)噴嘴出口后液滴開(kāi)始向周圍空間擴(kuò)散，而周圍空氣只是在射流的卷吸作用下運(yùn)動(dòng)，速度很小，擴(kuò)散到噴嘴出口周圍空間的液滴受到空氣的阻礙，速度減小，運(yùn)動(dòng)很緩慢，被滯留在噴嘴出口附近。
液滴的速度隨著孔口寬度的增加而減小，空口寬度為0.4mm時(shí)，液滴的速度為79.6m/s；噴嘴口寬度為0.8mm是，速度為53.2m/s。氣液質(zhì)量流量比為定值時(shí)；隨著噴嘴孔口寬度的增大，霧化角逐漸減?。嚎湛趯挾葹?.4mm是，霧化角約為150°；噴嘴口寬度為0.8mm時(shí)，霧化角約為70°。
噴嘴孔口寬度的大小對(duì)噴嘴霧化性能影響顯著，很大程度上決定了液滴的大小。氣液質(zhì)量流量比定值時(shí)，SMD隨著噴嘴孔口度為0.4mm時(shí)，SMD為39.6um;噴嘴孔口寬度為0.8mm時(shí)，SMD為46.9um。由此可見(jiàn)，為了得到更細(xì)小的液滴，噴嘴孔口寬度不宜過(guò)大。
3.2.2氣液質(zhì)量流量比對(duì)噴嘴性能的影響
氣液質(zhì)量流量比為百分之23的工況為例，可以看出，空氣進(jìn)入噴嘴，在噴嘴內(nèi)被壓縮加速，經(jīng)過(guò)壓縮區(qū)后，氣流速度達(dá)到約60m/s，然后經(jīng)過(guò)扇形孔口，在扇形孔口處流體被充分?jǐn)D壓，再次加速，當(dāng)達(dá)到噴嘴出口（X=21.5mm）時(shí)，速度達(dá)到值166m/s?？諝鈬姵鰢娮旌螅c周圍空氣相互作用，發(fā)生明顯卷吸現(xiàn)象。此后，由于受到外部氣體的耗散作用，氣流速度逐漸下降。氣流混合物中，氣相所占的比例越大，則氣液混合物的動(dòng)能也就越大。隨著氣液質(zhì)量流量比的增加，軸線上氣流的速度也不斷增大：氣液質(zhì)量流量比為百分之17時(shí)，噴嘴出口氣流速度為125m/s；當(dāng)氣液質(zhì)量流量比增加到百分之28時(shí)，噴嘴出口氣流速度可達(dá)209m/s。
如前所述，在噴嘴孔口寬度一定的情況下，氣液混合物中，氣體所占的比例越大，混合物所具有的動(dòng)能就越大，液體破碎越充分，所得到的液滴就越細(xì)小，但液滴直徑與氣液質(zhì)量流量比并非總是呈反比變化。噴嘴孔口寬度為0.6mm時(shí)，距離噴嘴出口20mm處SMD隨著氣液質(zhì)量流量比的增加，先逐漸減小，當(dāng)SMD達(dá)到極小值后，又開(kāi)始增大，SMD的極小值約為39.5um。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了獲得良好的液滴粒徑分布，應(yīng)根據(jù)實(shí)際噴頭孔口寬度，選擇合適的氣液質(zhì)量流量比。
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