CN101814115A

CN101814115A - 预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法

Info

Publication number: CN101814115A
Application number: CN 201010127806
Authority: CN
Inventors: 钱丽娟; 林建忠; 熊红兵
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: CN101814115B

Abstract

本发明公开了一个预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法。该方法针对于泡状雾化喷嘴，建立起完善的数值模型，将各个运行参数和液体物性参数对液雾粒径的影响通过大量数值计算，再运用线性拟合的方式逐一加以量化，建立起液雾Sauter平均粒径沿轴向变化的关系式，该关系式经大量实验数据验证，误差范围在30％以内。本发明公式中所需输入参数为独立变量，易于获得，有助于方便有效的判断各种工况条件对液雾平均粒径的影响程度，有益于高效的调节工况以获得预期的雾化效果。此外，本发明的公式，针对于应用前景广阔的泡状雾化喷嘴，可用于计算各个轴向截面上雾化液滴的平均粒径，有利于轴向距离的合理布置，且适用范围覆盖多种工况和多种雾化液体，具有较大的实用价值。

Description

预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法

技术领域

本发明属于雾化射流领域，尤其涉及一种预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法。

背景技术

雾化射流的应用范围覆盖工业，农业，医药，日常生活，航空航天，气象等各个领域，其中较为典型的有燃烧和喷涂领域，良好的雾化效果有利于燃烧充分，节能减排；有利于提高喷涂效率，制造高性能材料。衡量雾化效果最重要的依据之一是液雾粒径的大小。液雾粒径的最终大小是由表面张力、粘性力和气动力决定的，而在喷射平面上，气动力远大于表面张力，所以液滴在射出喷嘴后，会经历一系列复杂的破碎和碰撞过程。这一复杂过程是由多参数共同作用，为了获得理想的雾化效果，有效地控制雾化液滴粒径，必须充分了解各个工况参数和液体物性参数的作用。一个能通过输入参数来预测雾化效果的简便方法一直是工业界关心的热点。此外，由于二次雾化和碰撞等现象的存在，雾化粒径的大小沿轴向是变化的，轴向距离的合理布置关系到雾化效果的充分实现，但是现有的预测雾化粒径的公式大都固定测量平面而忽略了这一变化趋势。

不同特性的雾化喷嘴有不同的雾化效果和应用背景。气泡雾化喷嘴相比传统的压力喷嘴，两相流喷嘴，有着雾化质量高、耗气量小、雾化效果基本不受出口直径影响等特点，可用于雾化高粘液体，有着广阔的应用前景，目前已成功应用于燃烧，制药等领域。对泡状雾化喷嘴的实验研究，已揭示了重要工况参数对雾化效果的影响趋势，但是参数之间的量化关系式尚未明确，一个能预测平均粒径沿轴向变化趋势的简便方法尚未被提出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明首先确认喷嘴类型和工况所在范围。本发明适用于典型的泡状雾化喷嘴，要求输入参数在一定范围内，具体如下：气液质量流量比ALR：0.04～0.2；入射压力P_in(g/cm·s²)：2×10⁶～8×10⁶；喷嘴直径D_noz(cm)：0.05～0.4；液体质量流量

液体粘性μ_l(g/(cm·s))：0.01～0.4；液体表面张力σ_l(g/s²)：20～72；雾化射流时，喷嘴附近温度气压为常温常压；雾化所用气体为空气。

然后根据以下公式计算液雾Sauter平均直径沿轴向距离y的变化趋势

SMD \{\begin{matrix} = 0.00505 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.4686} \times {(\frac{P_{in}}{5 \times 10^{6}})}^{- 0.1805} \times {(\frac{D_{noz}}{0.2})}^{0.6675} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1714} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.1382} & y &RightArrow; 0 \\ = (1.103 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.218} + 14.72 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.3952} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1571} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.8199}) \times 10^{- 4} \times y \\ + (1 - y) \times 0.00505 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.4686} \times {(\frac{P_{in}}{5 \times 10^{6}})}^{- 0.1805} \times {(\frac{D_{noz}}{0.2})}^{0.6675} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1714} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.1382} & 0 < y < 1 cm \\ = 1.103 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.218} \times 10^{- 4} \times y + 14.72 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.3952} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1571} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.8199} \times 10^{- 4} & 1 cm \leq y \leq 20 cm \end{matrix}

上式所用的量纲制是cm，g，s。其中SMD是Sauter平均直径，指的是所有液滴体积之和和表面积之和之比，单位cm。ALR是气液质量流量比，无量纲；P_in是入射压力，单位g/cm·s²；D_noz是喷嘴直径，单位cm；

是液体质量流量，单位g/s；μ_l是液体粘性，单位g/(cm·s)；σ_l是液体表面张力，单位g/s²；。y是液滴距喷嘴的轴向距离，单位cm，该公式所能预测y的范围是0～20cm。

本发明的有益效果是：本发明提供了可以预测泡状雾化喷嘴平均液雾粒径沿轴向变化的经验公式，该公式所需输入参数为独立变量，易于获得，有助于方便快捷的判断各种工况条件对液雾平均粒径的影响程度，有益于高效的调节工况以获得预期的雾化效果。此外，本发明的公式，针对于应用前景广阔的泡状雾化喷嘴，可用于计算各个轴向截面上雾化液滴的平均粒径，有利于轴向距离的合理布置，且适用范围覆盖多种工况和多种雾化液体，具有较大的实用价值。

附图说明

图1是泡状雾化喷嘴雾化射流示意图；

图2是一次雾化和二次雾化模型流程图；

图3是液雾平均粒径SMD沿轴向变化趋势的公式计算结果和实验数据及数值模拟的对比图；

图4是液雾平均粒径SMD的公式计算结果和大量实验数据的对比图。

具体实施方式

泡状雾化喷嘴的雾化过程可分为两个阶段，如图1(其中1，2分别是雾化所需液体和气体，3指泡状雾化喷嘴)，首先压缩空气以某种适当的方式注入到液体中，两者在喷嘴混合室内形成稳定的泡状两相流动；在喷嘴出口处，由于气泡对液体的挤压和剪切作用，液体以包含微小气泡的液丝或液线的形式喷出，在离开喷嘴出口极短的距离内，由于气泡内外压差的剧烈变化，促使它急剧膨胀直至破裂。从而将包裹在其周围的液膜进一步破碎成为更加细微的液雾颗粒，这是一次雾化的过程，初次雾化过程与喷嘴尺寸、气液浓度比、喷射压差等因素密切相关；然后，这些细微的液雾颗粒在湍动的射流气流中是不稳定的，在喷嘴中下游会发生碰撞、破碎、合并等二次雾化过程，改变液滴的大小和分布。

为了能深入了解上述雾化射流过程中各个参数之间的内在联系，本发明采用的途径是建立一个涵盖一次雾化和二次雾化过程的数值模型，应用此模型模拟雾化射流过程，在此基础上通过大量可重复性计算推导出一个能预测泡状雾化喷嘴下游区域液雾平均粒径的公式。如图2，数值模型中一次雾化模型是基于Lund所提出的SMD的经验公式(SMD是所有液滴颗粒的体积和表面积之比，常用于雾化射流领域，表征平均粒径)，假设一次雾化过程起始于某个相对规则的气液形态(由实验观察可知，泡状雾化喷嘴出口处气液形态近似于环状)，随后经历了由环状液膜破碎到柱状液线，再由柱状液线波动破碎成小液滴碎片，最终每个碎片形成一个球状液滴，其中认为柱状液丝的直径等于环状液膜的厚度。一次雾化模型的建立是为了根据工况条件得到初始的颗粒平均粒径，为二次雾化的计算提供初始条件；二次雾化模型中，湍流场的计算采用k-ε湍流模型，粒子计算采用拉各朗日方法，建立了受力、碰撞、破碎三种粒子模型，由此模拟了轴对称三维射流的流动过程，其中粒子和流场为双向耦合。粒子受到的外界作用力简化为气动力和重力。破碎模型采用了适用于雾化喷流的CAB模型，碰撞模型考虑了液滴碰撞后合并和反弹两种情况。一次雾化模型和二次雾化模型均已经实验数据验证，可用于模拟雾化射流过程。

通过分析实验数据和数值模拟结果，可得出SMD随轴向距离的变化趋势其主要特征是SMD沿轴线有一个先减小后增大的过程，其内在原因是在喷嘴出口处液滴与载气的相对速度及液滴粒径均较大，所以碰碎韦伯数较大，液滴易破碎，粒径减小。而在射流下游处，液滴碰撞合并作用占主导，使颗粒直径逐渐增大。抓住这一主要特征，可将不同区域SMD沿轴向变化趋势概括为

SMD = \{\begin{matrix} {SMD}_{0} & y &RightArrow; 0 \\ (k + kk - {SMD}_{0}) \times y + {SMD}_{0} & 0 < y < 1 cm \\ k \times y + kk & 1 cm \leq y \leq 20 cm \end{matrix}

其中SMD₀是一次雾化后液滴的初始粒径，k，kk表明工况参数和液体物性参数的影响。SMD₀，k，kk均可由上述数值计算确立起和工况条件及液体物性之间的关系式，具体做法是将影响雾化效果的工况参数和物性条件逐一加以分析，取合理运行范围内的一组输入参数为基准参数，通过大量数值模拟计算，将气液质量流量比，入射压力，喷嘴直径，液体流量，液体粘性和表面张力等影响因素采用线性拟合的方式建立起与SMD₀，k，kk之间的关系式，从而得到平均粒径SMD沿轴向变化的表达式。该表达式不仅能判断各种工况条件对液雾平均粒径的影响程度，而且能预测各个轴向截面上平均雾化粒径的数值，有利于工程实践中高效的调节运行参数和轴向距离以获得预期的雾化效果。

本发明采用的技术方案的主要步骤如下：

第一步确认喷嘴类型和工况所在范围。本发明中预测Sauter平均直径的公式只适用于泡状雾化喷嘴，且要求输入参数在一定范围内，具体要求如下：气液质量流量比ALR：0.04～0.2；入射压力P_in(g/cm·s²)：2×10⁶～8×10⁶；喷嘴直径D_noz(cm)：0.05～0.4；液体质量流量

液体粘性μ_l(g/(cm·s))：0.01～0.4；液体表面张力σ_l(g/s²)：20～72；喷嘴附近温度和气压为常温常压；雾化所用气体为空气。

第二步根据公式(1)计算液雾Sauter平均直径沿轴向距离y的变化趋势。

SMD \{\begin{matrix} = 0.00505 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.4686} \times {(\frac{P_{in}}{5 \times 10^{6}})}^{- 0.1805} \times {(\frac{D_{noz}}{0.2})}^{0.6675} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1714} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.1382} & y &RightArrow; 0 \\ = (1.103 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.218} + 14.72 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.3952} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1571} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.8199}) \times 10^{- 4} \times y \\ + (1 - y) \times 0.00505 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.4686} \times {(\frac{P_{in}}{5 \times 10^{6}})}^{- 0.1805} \times {(\frac{D_{noz}}{0.2})}^{0.6675} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1714} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.1382} & 0 < y < 1 cm \\ = 1.103 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.218} \times 10^{- 4} \times y + 14.72 \times {(\frac{ALR}{0.12})}^{- 0.3952} \times {(\frac{μ_{l}}{0.2})}^{0.1571} \times {(\frac{σ_{l}}{46})}^{0.8199} \times 10^{- 4} & 1 cm \leq y \leq 20 cm \end{matrix} - - - (1)

其中ALR是气液质量流量比，无量纲；P_in是入射压力，单位g/cm·s²；D_noz是喷嘴直径，单位cm；是液体质量流量，单位g/s；μ_l是液体粘性，单位g/(cm·s)；σ_l是液体表面张力，单位g/s²；。y是液滴距喷嘴的轴向距离，单位cm。Sauter平均直径SMD指的是所有液滴体积之和和表面积之和之比，单位cm。

以下结合实例来说明本发明的有效性，取刘联胜等发表在工程热物理学报上的一组实验数据进行验证，其工况条件为ALR＝0.176，

D_noz＝0.2cm，P_in＝5×10⁶g/(cm·s²)，μ_l＝0.01g/(cm·s)，σ_l＝71.9g/s²，ρ_l＝1g/cm³雾化所用喷嘴为泡状雾化喷嘴，喷嘴外部环境为常温常压，雾化所用气体为空气，符合本发明的应用范围，将工况参数带入公式(1)中计算可得：

SMD (μm) = \{\begin{matrix} {SMD}_{0} = 26.11 & y &RightArrow; 0 \\ (k + kk - {SMD}_{0}) \times y + {SMD}_{0} = - 13.9807 \times y + 26.11 & 0 < y < 1 cm \\ k \times y + kk = 1.0013 \times y + 11.128 & 1 cm \leq y \leq 20 cm \end{matrix},

其中为书写简捷，SMD的单位为μm。由图3可知是该公式计算所得曲线和实验数据及数值模拟结果较为吻合，能很好的预测平均粒径沿轴向的变化趋势。图5是将60组不同工况，不同物性，不同轴向距离下液雾平均粒径的实验数据和公式计算进行对比，其结果符合良好，误差范围在30％以内。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确认喷嘴类型和工况所在范围。

(2)根据以下公式可计算液雾Sauter平均直径沿轴向距离y的变化趋势

2.根据权利要求1所述预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化趋势的方法其特征在于：所述步骤(2)中，预测Sauter平均直径的公式只适用于典型的泡状雾化喷嘴，且要求输入参数在一定范围内，具体要求如下：气液质量流量比ALR：0.04～0.2；入射压力P_in(g/cm·s²)：2×10⁶～8×10⁶；喷嘴直径D_noz(cm)：0.05～0.4；液体质量流量

2～20；液体粘性μ_l(g/(cm·s))：0.01～0.4；液体表面张力σ_l(g/s²)：20～72；雾化射流时，喷嘴附近温度气压为常温常压；雾化所用气体为空气。

3.根据权利要求1所述预测泡状雾化喷嘴平均雾化粒径沿轴向演化的方法其特征在于：所述步骤(2)中，输入参数所用的量纲制是cm，g，s。其中SMD是Sauter平均直径，指的是所有液滴体积之和和表面积之和之比，单位cm。ALR是气液质量流量比，无量纲；P_in是入射压力，单位g/cm·s²；D_noz是喷嘴直径，单位cm；

是液体质量流量，单位g/s；μ_l是液体粘性，单位g/(cm·s)；σ_l是液体表面张力，单位g/s²；y是液滴距喷嘴的轴向距离，单位cm，本公式所能预测y的范围是0～20cm。