收缩—扩张喷嘴的气泡雾化数值模拟

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3.0 赵德峰 2025-01-09 7 4 4.9MB 63 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
本章介绍了雾化技术在工业上的应用现状和雾化方法原理，以及气泡雾化技
术在国内外研究状况，并提出了本文的主要工作内容。
§1.1 研究背景
气泡雾化技术作为一种更高效、更经济和更实用的新兴技术，几乎已经应用
到各种工业领域，如工业制冷、临床医学以及农业生产等，除了各种燃油和燃料
雾化外，雾化技术在非燃烧工业如干燥、增湿、除尘、药剂喷洒、粉末涂覆、食
品加工等方面也有着广泛的应用[1,2]。气泡雾化是在介质雾化、机械雾化等基础上
积极探索开发出来的一种新型的雾化技术[3]。喷嘴的设计直接影响到其雾化效果及
燃料或燃油的雾化质量，根据雾化质量的要求以及燃料的性质，雾化喷嘴类型有
气力式、旋转式和压力式雾化喷嘴三大类，各有其适用的范围。这些雾化方式在
实际的应用过程中还存在许多问题，如气耗率高、结构复杂、投资费用高、对燃
料的适应性较差、磨损严重、喷雾颗粒不够均匀等亟需解决的问题[4]。所以对喷嘴
雾化机理的研究对节约能源，保护环境具有重要意义。
我国燃用高粘度液体燃料的动力设备如动力锅炉、燃气轮机等在燃烧过程中
存在诸多问题，主要是燃烧器产生的燃料液雾颗粒较大且不均匀，从而造成液体
颗粒的不完全燃烧、着火延迟等。全国因此每年的燃油消耗量多达 50Mt。为了使
液体燃料得到高效率的燃烧，必须增加液体燃料与助燃介质之间的接触面积，提
高液体燃料的蒸发燃烧速度，这需要通过雾化形成微小颗粒、尺寸均匀的液雾来
实现[4]，从而达到节能减耗、减少污染的目的。由于常规雾化喷嘴气耗率较高，而
采用气泡雾化喷嘴技术可以实现降低气液比，较大幅度提高雾化质量，节约能耗。
气泡雾化喷嘴用于燃料油与水的乳化燃烧可以获得同样的效果。同时气泡雾化喷
嘴的流量系数比较低的特点使之适合于对重渣油等含杂质液体燃料的雾化[5]。
§1.2 雾化方法及原理
§1.2.1 雾化方法
气泡雾化技术是由 Lefebvre 等人从 1988 年才开始研究的，对某些结构因素的
研究还不成熟。传统的雾化发生方法主要有以下三种：
（1）撞击式雾化技术
撞击式雾化技术就是使水流冲击金属撞击头然后破碎成液滴，利用射流的撞
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击动能实现液束的破碎。撞击式雾化喷头一般在低压和中压下运行，加工成本较
低，结构简单，其金属撞击头的结构形状决定了喷雾的雾场特性。缺点是喷雾的
轴向喷射距离因水柱撞击挡板能量损失而受到限制，且金属撞击头的存在会产生
屏蔽效应，表面的不规则和撞击头的倾斜会使喷雾的分布受到很大影响，使得喷
雾分布不规则和倾斜。撞击式雾化产生的水雾粒径相对较大，一般为第 2级和第 3
级水雾[6]。
（2）压力式雾化技术
压力式雾化技术是通过将液体在压力的作用下使其从小孔径的喷口高速喷
出，非常接近喷口的水流破碎成液滴而形成水雾[6,7]，实现从压力势能向动能的转
换。压力式雾化喷头结构简单，安装方便，操作容易，工作压力范围和能产生的
雾滴粒径的范围较广，但产生小粒径的雾滴需要很高的工作压力（大于 10MPa），
大大增加了系统的成本。此外，压力式雾化喷头的喷口直径一般都较小，尤其是
高压喷头的喷口直径，较易堵塞，而在喷口前增加滤网将增加动量损失。
（3）双流体式雾化技术
双流体式雾化技术可分为内混式和外混式，其原理是在一定压力的作用下，
利用高速的空气或蒸汽去冲击速度较低的雾化液体，利用压缩气体对水的剪切作
用形成水雾。双流体式雾化技术可以通过调节气液流量比、压强等参数有效的控
制液滴尺寸分布、雾动量、流量和雾化锥角，两相流体在低压作用下即可产生较
好的水雾。传统的双流体式喷头结构比较复杂，利用高速流动的气动力作用将液
体雾化，雾谱宽，效率低，耗气量大。
除了以上三种传统的雾发生技术外，现在超声波技术也被广泛应用到雾化实
践中，该方法产生的雾滴粒径较小，均匀性较好，缺点是雾动量和流量太小[8]。综
上所述，现有的雾发生技术都有着各自的缺点和局限性，因此国内外的很多研究
机构正致力于开发研究新型的雾发生方法，以充分发挥雾化技术的优越性，使其
能在更广泛的领域内得到应用[6,7]。
§1.2.2 雾化原理
液体的雾化是指在外加能量的作用下，通过一定的方式使连续流动的液体在
气体环境中破碎、分裂，最终形成具有一定尺寸分布的不连续液雾或其它小雾滴
的物理过程[3]，其本质就是外力与液体的表面张力和粘滞性之间竞争的过程。目前
普遍采用的雾化方式按雾化原理和雾化质量的要求主要分为：压力式雾化、旋转
式雾化又称机械雾化、气动雾化、超声或消声雾化[9]。
气泡雾化最初被称作充气液力雾化（Aerated-liquid Atomization），是一种内混
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式双流体雾发生技术，其雾化原理与传统的雾发生方法如压力、旋转或气动雾化
有本质不同。传统的雾发生方法主要是依靠液体或者气体的动能将液体雾化；而
气泡雾化方法是将气液混合，在其共同流动过程中形成稳定的气泡两相流，最终
借助气泡体积的膨胀实现液体的雾化。雾化过程是借助某种方式将少量压缩空气
或蒸汽以气泡的形式注入到液体中，使之在混合室内与液体形成稳定的泡状两相
流动。气泡在两相流动中加速、变形，在喷嘴出口处，由于气泡对液体产生强烈
的挤压和剪切作用，使液体以包含大量微小气泡的液丝或液线的形式喷出，如图
1-1 所示；在离开喷口极短的时间和距离内，气泡由于内外压差的剧烈变化而急剧
膨胀，直至破裂，同时将液丝、液线和包裹在其周围的气泡进一步破碎，形成更
加细微的颗粒群[3,10,11]，如图 1-2 所示。
图1-1 气泡雾化原理 图 1-2 雾滴形成过程
这项直接将气泡注入到喷头腔内液流中的技术，与传统的内混和外混式双流
体雾发生技术不同，它最有效地利用了雾化气的能量，具有众多的优点：
（1）注入气体的压力比其它型式雾化喷嘴的压力低几倍的情况下，同样可以
获得较好的雾化效果；
（2）相同的工作压力下，可产生比其他雾化方法更小粒径的液滴；
（3）气液比较小的情况下即可达到比其它双流体雾化方式较小的雾化粒径，
即所需雾化气体较少，经济节约；
（4）雾滴平均粒径对流体粘度敏感性较小，液体粘度几乎不影响雾化效果，
这使得同一喷嘴可以处理不同粘度的液体，而不影响其性能；
（5）由于较低的流量系数，喷嘴出口直径比其它类型的喷嘴大，且喷口直径
对雾滴粒径的影响很小，不易堵塞；
（6）这项方法简单、易行，它只需要简单的甚至无需保养，且使用成本较低。
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§1.3 气泡雾化的国内外研究进展
气泡雾化方法（Aerated-liquid or Effervescent Atomization)是由美国 Purdue
University 的Lefebvre 及 其 同 事 于 1988 年首先发现的一种不同于气爆雾化
（Air-blast Atomization)和气助雾化（Air-assist Atomization）的雾化方法[12]，该技
术主要是针对闪蒸雾化和溶气雾化的缺陷而提出的，闪蒸雾化借助一小部分液体
的迅速气化实现液体的雾化[13]，而溶气雾化则靠高压溶解的气体从液体中迅速析
出膨胀形成的气泡，气泡膨胀到一定程度发生爆裂，改善雾化[14]，因此这些技术
的应用就限于那些挥发性高或者溶解气体效果较好的液体。而气泡雾化技术则避
开了这些缺点，并且由于其体现出来的优越性，这项技术受到越来越广泛的关注
和研究。自从 1988 年该技术提出以来，关于该方面的研究逐年增加，到了 21 世
纪，该技术更是受到了世界各国的重视，并在越来越多的领域中得到应用，发挥
着它的优势[10]。
气泡雾化的研究初期，以 Lefebvre[15]为代表的学者对气泡雾化的各个方面包括
雾化性能及雾化机理进行了大量研究，并得出了重要结论。在气泡雾化研究的早
期阶段，人们主要注重于气泡雾化技术基础理论的研究。目前国内外研究最多的
是气泡雾化喷头的雾化颗粒大小、流量特性、速度分布和喷雾角等。由于喷雾的
雾滴平均粒径和粒径分布是影响雾化效果的重要因素，因此这方面的研究较为全
面和深入。
对于不同气体注入压力对雾滴粒径的影响，Lefebvre[16, 17]在较低气体注入压力
下的研究表明雾滴粒径随着气体注入压力的增大而减小，Wade[18, 19]在高气体注入
压力下的研究也得出了类似的结论，且雾滴粒径在低压范围内的影响效果比在高
压范围内更显著。但对于高粘度的流体却有些不同，对水和水煤浆进行气泡雾化
的研究发现，水煤浆等高粘度流体的 SMD 明显不受雾化压力影响，而水的 SMD
受雾化压力影响明显[17, 20]。对不同物理性质流体的雾化 SMD 的研究发现，牛顿流
体的雾化 SMD 比非牛顿流体的小，在较低压力（0.2～2.0MPa）下，雾滴大小几乎
不受流体粘性的影响[21, 22]。Satapathy 等发现在较高压力（11-13MPa）下，雾滴粒
径随着液体粘度的增加而显著增加。对于液体粘度对液滴粒径的影响，研究表明，
液体粘度对液滴粒径影响很小，Sauter 平均粒径即 SMD 随液体表面张力的减小而
减小[23-26]。对于气液质量流量比（GLR）对雾滴粒径的影响，试验表明 SMD 是气
液比的非线性函数[27-28]。在喷头的结构形式确定的情况下，一般都存在一个临界
气液比值，当 GLR 从零增大到此值时，SMD 随GLR 的增加而迅速减小，随着 GLR
的继续增大，SMD 减小速度变缓，临界值由喷头的结构形式决定。Pertersen[29]对
水聚合物进行的气泡雾化试验中，得到了相似的结论。Chen[30]研究了环境气体密
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度对雾滴粒径的影响，结果发现 SMD 随着环境气体密度的不断增长会增大到一个
最大值然后又逐渐减小。Lund[31]等人还研究了雾化气体分子质量对喷雾粒径的研
究，发现喷雾粒径随着气体分子质量的增加有轻微地增大。对于喷嘴结构对雾化
粒径的影响，研究者们均做了系统地研究，研究的着眼点主要是喷口直径、喷嘴
出口面积与注气口面积的比值，注气孔相对喷口的位置，喷口的收敛角以及喷口
长度与直径的比值等[32-33]。由于喷嘴结构对雾化粒径的影响比较复杂，影响因素
较多，各研究者的实验条件也不太一样，在很多方面得到的结果仍不尽相同。Chin[34]
综合大量的实验数据发展形成了一套设计气泡雾化喷嘴的程序，可以作为喷嘴设
计的参考依据。Whitlow 和Panchagnula 在雾滴平均粒径的空间分布方面也进行了
深入地研究，研究发现在低的 GLR 下(<0.008) 雾滴平均粒径随轴向距离的增加变
化很小，但在高的 GLR 下(>0.010)随着轴向距离的增加平均粒径而增大[35,36]。此外
研究者对雾滴粒径在径向位置的研究结果也不一样，如 Panchagnula 的实验结果表
明雾滴粒径在任何径向位置均不变化，而 Lund[37]则在研究中发现雾滴粒径随着径
向距离的增加而增大。
除了对喷雾粒径广泛的关注研究以外，许多研究者对雾化压力、气液比和雾
化气体分子量对液滴速度的影响也进行了深入地研究。研究表明，液滴速度会随
着雾化压力或气液比的增加而增加，并且随轴向距离和径向距离的增加速度逐渐
减小[30,36,38]。有些研究者还对外气内液型和内气外液型喷头的雾滴速度分布进行了
研究[11,36]。对于雾化压力、气液比、环境气体密度、液体粘度和表面张力对雾化锥
角的影响，研究发现，气泡雾化喷头喷雾角比压力雾化喷头的要大,并且随着气液
比的增加而增大，增到一定值后又开始减小[19,39]。一些研究者还测量了不同雾化压
力、气液比和液体物理性质下气泡雾化喷嘴产生的喷雾动量，由于忽略了很多影
响因素，对喷雾特性的这些研究比雾滴平均粒径的研究要粗略许多 [36,40,41]。
由于实验成本较高，运行时间较长，而一个好的喷嘴性能预测模型则可以避
免这些缺点，但是由于气泡雾化过程包含复杂的两相流现象而难以进行模拟，因
此对此的报导较少。由于透明喷嘴的设计较为困难，喷嘴内部的模拟较少，现有
的一些模型主要是关于喷口外部的流场结构。Buckner[42]建立了一个半经验模型以
预测雾滴粒径,预测值和实验值的差距在 25％以内。Lund[23]在前者基础上发展形
成了一个更为完善的模型，该模型可用来解释气泡雾化机理、计算雾滴平均粒径。
Sovani 又在 Lund 模型的基础上进行了进一步地研究，他通过在模型中引入离散概
率函数(DPFs)的方法，使得该模型能够预测液滴粒径分布[43,44]。现有的这些模型均
具有很大的局限性，只能在某些情况下使用，且预测的准确性不高，需要结合实
验对这些模型做进一步地校正。
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国内对气泡雾化的研究始于 1994 年，北京航空航天大学和天津大学对此研究
较多，研究工作主要是针对该技术在燃烧方面的应用，如航空、发动机、重油雾
化等领域。对于工作压力对雾化粒径的影响，刘联胜[45]对小流量气泡雾化喷嘴进
行了研究，发现在气液注入压力差很小时就可以得到很好的雾化效果，雾滴粒径
均在 80μm 以下，只要气液能充分混合即可，同时发现低气液压差时的雾化粒径比
高压差下的小。安恩科[46]采用空气和轻油作为试验介质进行研究，发现气体压力
保持不变时，雾化平均粒径 SMD 随着油压的增高而略微增大。当油压保持不变时，
SMD 随着气压的增大而减小。对于气液质量流量比对雾化粒径的影响，根据环状
出口气泡雾化喷嘴液膜破碎过程与喷雾特性进行的研究，发现气液质量流量比的
增加对于雾化效果的提高起着重要的作用[47]。对液体射流雾化的研究发现，气液
质量流量比过大或过小都会造成不连续的两相流态而造成液雾不稳定，即存在一
个临界气液比[48]。对于液体性质对雾化粒径的影响，刘联胜、吴晋湘等对不同流
体物性下的喷雾特性进行了研究，发现在气液质量流量比不变的情况下,液雾粒径
随着液体动力粘度的增加,首先呈现逐渐增加的趋势,但在动力粘度达到一定值时,
液雾粒径相对略微减小，同时发现液雾平均粒径随着液体表面张力的增大而增大
[49]。对于喷嘴结构对雾化粒径的影响方面，许多研究者认为出口直径与平均粒径
无关，然而研究发现，小的出口直径在较低的雾化压力下就能获得较好的雾化效
果，但出口截面积过小，液体流量很小时，雾化效果又会变差，而在较高的压力
下，较大的直径获得的雾化效果提高很小[50]。
对于雾化特性的研究，刘联胜和傅茂林[51]的研究发现较大空气注入口面积适
用于较大气液流量比，喷嘴注液孔截面积对喷嘴流量特性没有影响，但是较小的
单孔截面积对混合室内泡状流的形成有利。对混合室直径及长度对气泡喷嘴内的
两相流态及其雾化特性的影响，研究发现，混合室长度过长或过短以及直径过大
或过小都会影响气泡的雾化，其长度和直径存在优化组合尺寸，它们是影响气泡
流形成的关键因素[50,52]。此外研究者们还对雾滴的速度及分布以及喷雾锥角进行了
研究[53-55]。
由上可见，气泡雾化技术在这近二十年的发展中受到了众多国内外学者的广
泛关注和研究，在各项研究中对雾滴平均粒径影响因素的研究最为全面，但由于
各研究者的实验条件及状况不同，得出的结论也不尽相同，需要根据具体的情况
进行具体分析。而对于雾场其它特性的研究则相对要少，尤其是对雾通量分布和
喷雾稳定性的研究。此外，现在还缺乏从喷嘴内部到外部整个雾化过程的系统研
究以及一个能精确预测喷雾特性的先进的雾化模型，在此基础上开展数值模拟的
研究也十分必要。
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作者：赵德峰 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：63 页 大小：4.9MB 格式：PDF 时间：2025-01-09

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