空气辅助雾化喷嘴的数值模拟研究

作者:刘海军;宋来武;吴华 刊名:节能技术 上传者:王保斌

【摘要】基于欧拉-拉格朗日两相流模型,数值模拟研究了一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程。分析了喷嘴内空气流动特性和雾化场中的雾化特性,结果表明喷嘴内空气速度、压力和温度等参数随着流动截面变化时会发生剧烈变化,并在喷嘴出口处达到超音速状态,雾化场中雾滴具有较大的轴向速度和较小的径向速度,雾滴直径分布均匀,雾化效果良好。

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利用核能发电是性价比高、碳排量低的新型发电方式,是化石能源和水力资源之后的世界第三种主要能源。核燃料在发电过程中会慢慢裂变,以致无法使用,出于节能经济性和减少污染排放的要求,对核燃料进行后处理和循环利用尤为重要。在已经确定的水法后处理中,铀以硝酸铀酰水溶液的形式被回收,浓缩的硝酸铀酰溶液在流化床中脱硝生成三氧化铀,进一步还原生成二氧化铀,然后转变成四氟化铀,最后还原成金属铀循环使用[1]。硝酸铀酰水溶液的雾化能够使液料形成尺寸均匀,颗粒直径小的液雾,以增加硝酸铀酰水溶液与流化气和流化底料之间的接触面积,提高反应速度。由于硝酸铀酰水溶液粘度较大,因此适合雾化高粘度液体的空气辅助雾化喷嘴是其常用的雾化设备之一。空气雾化喷嘴具有很多突出特点,在较低的油压下可以获得良好的雾化效果,尤其是对雾化高粘度的液体有很好的雾化质量,流量调节范围广,且能在较大的燃油流量范围内得到良好的雾化质量,因此它在石油、化工、电力等众多领域应用广泛[2-4]。国内外许多学者对其进行了大量研究[5-9]。Holtz-claw[10]和Wang[11]等人应用PIV技术分析了工作参数对雾化颗粒速度、液膜厚度和雾化锥角等雾化特性的影响。沈赤兵等[12]采用马尔文激光散射测粒法进行喷雾雾化过程的研究还很少[13-15],因此,本文模拟研究了一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程。通过两步法,首先进行喷管内单相模拟,然后根据单相模拟结果再进行雾化场中的气液两相模拟,得到了雾化场中的雾化颗粒速度分布和尺寸分布等雾化特性。1喷雾模型1.1空气辅助雾化喷嘴结构图喷管内气相通道的三维结构如图1所示,其中喷嘴出口处液料出口直径为2.0mm,气体出口环内径为3.0mm,外径为3.3mm。液料通过中心流动通道,从入口进入喷管内,从右侧出口喷出;空气从入口处进入到环形气相通道中,气流在喷管内经过压缩,气流速度增大,并在喷嘴出口处达到最大,对出口的液料进行冲击和摩擦,进行雾化。图1雾化喷嘴的结构图1.2雾化模型针对喷管内流动,建立数学模型。质量守恒方程t+#(v)=0(1)式中流体的密度;v流体的速度矢量。动量守恒方程t(v)+#(vv)=-#p+#()+g+F(2)=(#v+#v)T-23[#vI]式中p静压;g、F质量力;应力张量;分子粘度;I单位张量。能量守恒方程t(E)+#(v(E+p))=#keff#T-jhjJj+eff()(v)(3)右边括号内的三项分别表示由于导热,组分扩散和粘性耗散引起的能量变化。湍流模型采用k-湍流模型。近壁面处理方式采用标准壁面方程,湍流动能k和湍流耗散率,可从以下输运方程中得到t(k)+xi(kui)=xj+t()kkx[]j+Gk+Gb-(4)t()+xi(ui)=xj+t()x[]j+C1kGk+C3(G)b-C22k(5)式中Gk由平均速度梯度产生的湍流动能Gk=-u'iu'jujxi(6)Gb由浮升力产生的湍流动能Gb=gitPrtTxi(7)t湍流粘度t=Ck2(8)式中u脉动速度;C1、C2、C3、C常数,C1=1.44,C2=1.92,C=0.99。对于喷管外雾化场中的两相流动,采用欧拉-拉格朗日耦合算法进行模拟,对气场采用欧拉算法,对液相采用拉格朗日粒子跟踪方法,考虑各个区域之间的质量、动量和能量交换进行相间耦合迭代计算。喷嘴模型选择空气辅助雾化喷嘴,曳力模型采用动态曳力模型。图2为连续相与离散相耦合计算示意图。图2连续相与离散相耦合计算示意图采用KHRT(Kelvin-Helmholt-Rayleigh-Tay-可计算得到液穴长度L=CLd0

参考文献

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