内混式空气雾化喷嘴内部两相流动特征试验与数值模拟研究

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传统的压力喷嘴虽然结构简单且加工方便,但是需要较高的压力才能有很好的雾化,因而对设备的要求比较高。随着科技的发展,内混式空气雾化喷嘴因具有雾化质量高、可以雾化高粘性液体且不易发生堵塞等优点而被广泛应用于各领域。内混式空气雾化的原理是气液两相先在喷嘴内部进行相互作用再在喷嘴外部发生破碎和雾化,故喷嘴内部的流动形态对外部液体的雾化效果有着十分重要的影响。本文通过试验和数值模拟的方法对内混式空气雾化喷嘴内部流动特征进行了研究。试验以水和空气为介质,通过调节液体流量和气液质量流量比(ALR)来改变喷嘴运行工况,从而对喷嘴内部流动特征进行研究。通过对喷嘴内部观察发现,大部分液体直接从喷孔中喷出,小部分被气体从液柱上切削下来,而这一部分液体有的粘附在混合室内壁上,有的存在于混合室内壁和液柱之间。通过对喷嘴内部研究发现,同一液体流量下,当ALR由小变大时,混合室内的液柱波动性变得越来越小,壁面上液膜扰动性也变得越来越小。同一ALR下,在小液体流量时,混合室内气体起主导作用,大液体流量时,液体对混合室的稳定性影响比较大。数值模拟选定VOF多相流模型和SST k-ω湍流模型进行仿真研究,分别从喷嘴内部云图、中心轴线和不同截面三个方面进行了研究。从喷嘴内部云图研究发现,液体流量不变,随着ALR的增加,喷孔内液体的出流面积不断地缩小,喷嘴内部压力、速度、湍动能和湍流粘度梯度范围增大。ALR不变,液体流量越大,喷孔内液体的出流面积、压力梯度范围和出口截面处湍流粘度越大。从喷嘴中心轴线上研究发现,液体流量不变,ALR越大,轴线上的压力和速度越大。ALR不变,液体流量越大,混合室内,轴线上的速度越大;喷孔内,小ALR下时,液体流量越大,轴线上的速度越大,大ALR下时,液体流量越大,轴线上的速度越小;液体流量越大,轴线上的压力越大。从喷嘴各个截面上研究发现,液体流量不变,随着ALR的增加,截面上的压强气相体积分数、压力、速度和湍动能越大。ALR不变,液体流量越大,界面上的气相体积分数、压力和湍流粘度越大。在喷孔出口处,压力达到最小值,但是并没有变为大气压强,而是比大气压略高一点。此外,气体流量是影响喷嘴内部速度和湍动能的的主要因素。
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