【摘 要】
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为提高工业设备燃烧室的液体燃料利用率,通常液体燃料在燃烧之前需将其进行雾化处理。传统的压力雾化喷嘴需要通过高压装置才可实现液体的雾化,然而,气泡雾化喷嘴相比于其他两相流喷嘴具有工作压力低、喷嘴出口尺寸要求较小、气体需求量低且受工质粘性影响较小等优点,使其在一些特殊领域的动力装置上得到了广泛应用。本文基于气泡雾化以及射流理论,设计一种新型球形结构的气泡雾化喷嘴,以柴油和空气为介质,通过数值模拟的方法
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为提高工业设备燃烧室的液体燃料利用率,通常液体燃料在燃烧之前需将其进行雾化处理。传统的压力雾化喷嘴需要通过高压装置才可实现液体的雾化,然而,气泡雾化喷嘴相比于其他两相流喷嘴具有工作压力低、喷嘴出口尺寸要求较小、气体需求量低且受工质粘性影响较小等优点,使其在一些特殊领域的动力装置上得到了广泛应用。本文基于气泡雾化以及射流理论,设计一种新型球形结构的气泡雾化喷嘴,以柴油和空气为介质,通过数值模拟的方法,系统研究了雾化喷嘴内流动特性以及单个气泡在喷嘴内的运动行为,并揭示了雾化喷嘴下游场的喷雾分布特性,为气泡雾化喷嘴的雾化行为研究提供了参考和指导。建立喷嘴的流动特性模型,并通过改变气液质量比、液相流量等参数,研究了喷嘴内部两相流的流型和出口截面处的流动参数变化。当液相流量为1kg/min,气液质量比为0.04时,喷嘴内部形成较为稀疏的泡状流流型,气相所占体积分数较小;随着气液质量比增大到0.2时,喷嘴内部气相所占体积分数增大,形成较为密集的泡状流,此时喷嘴内部两相流混合相对理想。随着时间的增大,喷嘴出口截面处的含气率、液膜厚度、液膜速度、液相质量流量等参数随着液相流量和气液质量比变化发生了一定程度的波动,但是波动幅度不同,当气液质量比越大时,喷嘴出口处含气率波动幅度越大,液膜厚度波动幅度越小,出口液相流量波动幅度越大;当液相流量越小时,喷嘴出口处含气率波动幅度越大,液膜厚度波动幅度越大。建立了喷嘴内部单个气泡的运动模型,并通过改变喷嘴内部气泡直径、液相流量和喷嘴收缩角等参数,研究了单个气泡在喷嘴内运动时,气泡运动形态变化和无量纲参数变化对喷嘴下游场雾化效果的影响。在不同工况下,气泡在喷嘴内部的形态变化有所不同,当气泡直径为1mm、液相流量为1kg/min、喷嘴收缩角为150°时,气泡通过喷孔截面积较大,液膜厚度较小,液相流速增大,喷嘴下游场的雾化效果最佳。随着时间的增大,气泡无量纲体积和面积呈先增大后减小的趋势,当气泡直径为1mm、液相流量为1kg/min和收缩角为150°时,气泡无量纲面积较大,而气泡无量纲体积较小,有利于喷嘴下游场的雾化。建立喷嘴下游场雾化模型,利用喷嘴出口截面处液膜厚度和液膜速度计算得到一次雾化液滴粒径,并与下游场雾化模型进行耦合计算,获得了喷嘴下游场喷雾分布特征。当液相刚离开喷嘴时,液相停留时间较短,随着轴向距离的增大,液相与空气作用破碎为小液滴悬浮在空气中,液滴停留时间增大,提高了液相的雾化效果。此外,随着轴向距离的增大,液滴的平均粒径尺寸和液滴碰撞率呈先增大后减小的趋势,而液滴的轴向速度逐渐减小,径向速度逐渐增大。
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