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空气雾化喷头原理祥述

发布时间:2018-06-13    浏览次数:147
        空气雾化喷头具有雾化费用低、结构简单、雾化质量高、调节范围大等优点,在加热炉、干燥炉、窑炉、工业锅炉及化工设备中得到了广泛应用。国内外众多学者对液体雾化方法进行了广泛的实验与理论研究,研制开发出了各种不同结构和用途的喷嘴,并对这些喷嘴的喷嘴流量、雾化角、雾化液滴直径及其分布等方面进行了研究。随着CFD的技术的发展,可以利用计算机数值模拟方法对喷嘴性能进行模拟研究,一些学者对喷嘴内部流畅和喷嘴下游夜滴在实际流场中的运动状态进行了研究;文献在Y形喷嘴的基础上,设计了一种橄榄形出口喷嘴,并对其进行了实验研究,测量了不同气、液压力下该雾化喷嘴的流量、雾化角和索特尔平均粒径及其在空间上的横向和纵向分布;文献设计了一种双流体喷嘴,通过实验研究得到了改喷嘴各参数之间的相互牵制关系;文献对压力式喷嘴雾化过程中气夜传质性能进行了研究,考察了系统中液体对气体的吸收速率,推导了单液滴运动速度与时间的关系式。但上述文献所研究的喷嘴大部分都不是扇形喷嘴,文献所研究的喷嘴也只是在Y形喷嘴的基础上进行了改进,目前,对扇形喷口喷嘴的报道比较少见。
        笔者运用数值计算方法,研究了非稳态条件下不同喷嘴孔度、气液质量流量比对内混式扇形空气雾化喷嘴的外部流畅、喷嘴下游颗粒速度分布以及颗粒粒径分布的影响。

一、物理模型

        压缩空气经空气流道进入喷嘴,咋喷嘴内部与水进行混合,发生强烈的能量交换和动量交换,在扇形喷口处,气液混合物被挤压成扁平的扇形状高速喷出,完成喷雾过程。空气流道直径为10mm,水流道直径为5mm,扇形喷口度分别为0.4、0.6、0.8mm。

二、数学模型

2.1气相端流模型
        现有端流模型很多,包括:单方程模型、标准模型、重整组模型、可实现模型及雷诺应力模型和大涡模拟。可实现模型在模拟平面或圆形射流时,可以准确给出射流扩张角,因而,在喷雾计算中被广泛的采用。
2.2液滴阻力系数
        雾化过程中,假定在整个流动区域内保持为球形。
       当韦伯数较大时,液滴在气相内运动过程中,其形状由初始的球形变化为非球形。极端情况下,液滴的形状将变化为盘状。由于液滴的阻力系数对液滴的形状依赖较强,因此,假定液滴为球形就不合适了。考虑液滴变形的影响,液滴阻力系数的表达

2.3液滴喷雾模型
       在喷雾过程计算中,泰勒类比破碎模型被广泛的运用。该模型将液滴振动及变形与弹性质量系统进行类比,液滴m上的空气动力f对应外力,弹性反应类比液滴表明张力k,阻尼力类比液滴黏性力d,则受迫、有阻尼受控

三、数值计算及结果分析

3.1网络划分及边界条件
        喷嘴为圆头扇形喷嘴,因此在计算时,适宜采用三维网络划分,喷嘴内部和喷嘴出口处进行局部网络加密。喷嘴为对称体,采用六面体网格,喷嘴下游流体扩散区域采用四面体网格。
       以空气和液态水为工作介质,空气为连续相,液态水为离散相,分别对0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mm的喷嘴孔口宽度下,,气液质量流量比为百分之17、百分之20.百分之23、百分之26、百分之28的喷雾工况进行了模拟计算,时间步长为5秒。

3.2计算结果分析
       模拟过程中采用藕合模型,气体相采用欧拉连续介质模型。首先对连续相一空气在稳态条件下进行计算,空气经过扇形喷嘴后,被挤压成扇形形状向下游充分发展,当连续相计算收敛后,再加入离散相一液态水进行喷雾过程计算,喷雾过程为非稳态藕合计算,液滴在端流流动的携带下,在喷嘴下游扩散,完成喷雾过程。
3.2.1空口宽度喷嘴性能的影响
        液滴在端流气流的携带下,在喷嘴下游空间充分扩散开从黑色至灰色一次标记色为黑色的颗粒群,由于喷出的液滴和周围环境流体存在较大的相对速度,离开喷嘴出口后液滴开始向周围空间扩散,而周围空气只是在射流的卷吸作用下运动,速度很小,扩散到喷嘴出口周围空间的液滴受到空气的阻碍,速度减小,运动很缓慢,被滞留在喷嘴出口附近。
      液滴的速度随着孔口宽度的增加而减小,空口宽度为0.4mm时,液滴的最大速度为79.6m/s;喷嘴口宽度为0.8mm是,最大速度为53.2m/s。气液质量流量比为定值时;随着喷嘴孔口宽度的增大,雾化角逐渐减小:空口宽度为0.4mm是,雾化角约为150°;喷嘴口宽度为0.8mm时,雾化角约为70°。
      喷嘴孔口宽度的大小对喷嘴雾化性能影响显著,很大程度上决定了液滴的大小。气液质量流量比定值时,SMD随着喷嘴孔口度为0.4mm时,SMD为39.6um;喷嘴孔口宽度为0.8mm时,SMD为46.9um。由此可见,为了得到更细小的液滴,喷嘴孔口宽度不宜过大。
 

3.2.2气液质量流量比对喷嘴性能的影响
         气液质量流量比为百分之23的工况为例,可以看出,空气进入喷嘴,在喷嘴内被压缩加速,经过压缩区后,气流速度达到约60m/s,然后经过扇形孔口,在扇形孔口处流体被充分挤压,再次加速,当达到喷嘴出口(X=21.5mm)时,速度达到最大值166m/s。空气喷出喷嘴后,与周围空气相互作用,发生明显卷吸现象。此后,由于受到外部气体的耗散作用,气流速度逐渐下降。气流混合物中,气相所占的比例越大,则气液混合物的动能也就越大。随着气液质量流量比的增加,轴线上气流的速度也不断增大:气液质量流量比为百分之17时,喷嘴出口气流速度为125m/s;当气液质量流量比增加到百分之28时,喷嘴出口气流速度可达209m/s。

        如前所述,在喷嘴孔口宽度一定的情况下,气液混合物中,气体所占的比例越大,混合物所具有的动能就越大,液体破碎越充分,所得到的液滴就越细小,但液滴直径与气液质量流量比并非总是呈反比变化。喷嘴孔口宽度为0.6mm时,距离喷嘴出口20mm处SMD随着气液质量流量比的增加,先逐渐减小,当SMD达到小值后,又开始增大,SMD的极小值约为39.5um。因此,在实际应用过程中,为了获得好的液滴粒径分布,应根据实际喷头孔口宽度,选择合适的气液质量流量比。


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