等压式割嘴的结构优化毕业论文.doc

1绪 论割嘴是一种广泛应用于工业领域、交通运输、农业生产以及人民日常生活的流体机械，它在工业生产中燃烧装置上的应用尤其重要。按照工作介质的不同，有燃料割嘴，空气雾化割嘴以及固态燃料燃烧装置的割嘴。本文主要研究液体燃料割嘴，它的主要功能是将燃料雾化成细小的液滴，以便更快蒸发、更快与空气混合。通常认为实现液体雾化的最有效途径是提高液体与周围空气之间的相对速度。一般情况下，相对速度越高，液滴的平均直径越小。为了获得更大的相对速度，一类割嘴是将液体燃料以较高的速度喷入低速运动或静止的主要研究液体燃料的割嘴，如直射割嘴、离心割嘴、旋转割嘴。另一类则是将低速运动的液体燃料置于相对高速运动的气体介质中，如气体雾化割嘴。1.1割嘴的发展与前期的研究 1.1.1割嘴的发展1800年割嘴首次用于喷雾燃烧，到了十九世纪末期，割嘴开始在多种领域得到普遍应用，如燃烧、干燥、洗涤、冷却等。其中研究工作量最多，应用最广的是直射式割嘴、离心割嘴和气动雾化割嘴。近年来割嘴得到的了广泛的应用。一般来说，三种割嘴各自具有以下特点： A直射式割嘴是最早被应用的割嘴形式，结构十分简单，是利用高压液体直接经过一小孔射到气流中从而完成雾化的割嘴。但有两个缺点：物化性能较其他类型割嘴差；工作范围也比较窄。 A型割嘴的结构图如图1-1所示。图1-1 直射式割嘴 B离心式割嘴，它是经过特殊设计使液体沿切线方式注入，而以旋转的锥形液膜形式喷出的割嘴，它雾化能耗小，运行可靠，但工作范围也不是大，因为其雾化主要靠液体燃料的较高流速，若流体粘性大，摩擦阻力造成的压力损失也较大，此时雾化质量也差，相应的需要更大的流速，必须使供油压力也增大；图1-2 离心式割嘴 C气流式雾化割嘴主要包括气体辅助化割嘴、气爆雾化割嘴、气泡雾化割嘴几种形式。其原理主要是利用气体介质与液体介质之间的相互挤压、加速或剪切作用，将液体雾化在较低的油压下可获得良好的雾化效果，对雾化高粘度液体也有很好的雾化质量，但它还有雾化能量利用率低，气体能量损失较大，雾化用气量较大等不足。现举出几种混合式割嘴如图1-3,1-4,1-5,1-6所示： 图1-3 外混式气流喷嘴 图1-4 Y喷嘴 图1-5 内混式喷嘴 图1-6 气泡雾化喷嘴 如今，又相继出现了静电割嘴、超音割嘴、风力割嘴、震荡割嘴、喷射割嘴等等。因而，割嘴在冶金、石油、石化、电力，等现代化工业部门的生产发展中应用非常广泛。 1.1.2割嘴的实验及研究从燃烧装置到现在几千年内，燃烧器的设计和改进主要是靠实验，包括近代发展起来的冷态模型试验、热态模型试验和全尺寸装置实验。冷态模型试验即通过采用模拟介质，在冷态工况下对割嘴的流量特性。雾化特性及混合特性进行研究，从而得到割嘴的工作性能变化规律。实验测量参数一般有：喷注压力、介质流量、液滴直径、液滴速度、直径分布等。热态模型试验即在热式条件下进行割嘴特性研究，近年来热态试验的报道逐渐增多，这些试验通过透明窗对割嘴下游燃烧流场实现可视观察，通过光学拍摄得到割嘴雾化过程图像及燃烧流场中液滴运动和组分分布等信息。最近几年，不仅割嘴结构不断改进，对于雾化特性的要求水平也有很大的提高。但是由于雾化特性复杂，所以尽管从喷雾技术开始使用到现在已有将近一百年历史，雾化理论仍然很缓慢，还没有一个比较完善的雾化理论描述相应割嘴的雾化机理。近几年来，由于激光测雾技术的应用，使得由实验研究的到的一些实验或半实验公式日益完善，通过实验研究发现问题，改进设计，雾化质量水平有了很大的提高。目前应用最广泛的事多孔喷油嘴，其中每一孔都产生一束喷雾。取其中一束为对象，并忽略各油束之间的干扰，即着重讨论单孔油嘴形成的喷雾场是现在研究喷雾的主要途径。喷雾场即液态燃油经过割嘴被喷雾燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸汽和空气组成的多相混合的场。随着CFD技术的发展，通过数值仿真进行雾化过程研究成为一种重要的新兴的研究方法。这类研究主要分两类：一类是通过对割嘴下游已经雾化完毕的液滴群在实际流场中的运动状态的模拟进行研究；另一类通过模拟割嘴内部流动过程，进行雾化过程的仿真。这种模拟研究的技术要点在于建立准确描述液体介质变形过程、液体与气体作用过程及液体离散化为液滴的过程模型。1.2割嘴喷雾时的各项特性燃油锅炉的喷雾混合特性通常是指喷出的油束与炉膛内气体介质之间的混合特性，受到燃油喷射特性、喷油嘴位置、气流运动、燃烧室尺寸和形状等因素的影响。喷雾混合特性包括宏观和微观特性。宏观特性主要是指喷束的几何轮廓形状及其在空间的发展情况，由喷雾锥角和贯穿长度等几何参数来衡量。它反映了喷束体积大小，反映了空气卷入率，是描述喷雾特性最基本最直观特性围观特性主要是指喷束的内部结构及分布情况，包括喷雾滴径及滴径分布、喷雾浓度及浓度分布、喷雾粒子速度及气象介质的湍流运动等。 1.2.1割嘴雾场的结构及特性液态燃油喷入燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸气和空气组合的多相混合物的场，我们称之为喷雾场。对于等压式割嘴，按单孔割嘴模型试验，其雾化过程示意图如图1-7所示。在混合室内油流被高速蒸汽射流冲成中空环状油膜，油膜附着在壁面并向下流动。因高速蒸汽与油膜间的相对速度而产生摩擦与碰撞，并使横向湍流脉动增强，油膜表面形成弯曲的波状纹，在油膜薄的位置被气流撕裂成油滴。只要相对速度足够大，可使大油滴再撕裂破碎成更小的油滴，直至相对速度过小而不能使油滴破碎为止。图1-7 割嘴的雾化过程 1.2.2 割嘴雾化颗粒的粒径表示方法及影响因素 (1)粒径表示液态工质从割嘴射出来后 ，形成尺寸差别数十倍的雾滴群体。人们研究和提出了多种雾滴尺寸评定方法。 雾滴尺寸（工程使用中主要用的几种方法）表1.1雾化粒径表示方法 雾滴群尺寸分布在喷雾过程中所得到的雾滴或分散物料（粉状、颗粒状）是由大量的服从统计规律的粒子组成的。实验研究指出，颗粒直径的分布，一般具有连续的特点，并且具有一个最大值。最常用的表示方法： a .图示法大小不同的颗粒组成的多分散系的尺寸分布有单峰和多峰分布，分别如图1.8、图1.9所示。 图1.8 单峰分布的颗粒系 图1.9 多峰分布的颗粒系 b.函数法（Rosin-Rammler(R-R)函数）R-R分布函数，它是由Rosin和Rammler于1933年研究磨碎煤粉颗粒的尺寸分布时提出的，后经研究表明对大多数由破碎形成的颗粒均能用此函数来表示，它的表示为。R=1-exp(-)这是一个累积分布函数，R表示直径小于D的颗粒的累计体积分布率，图1.10为不同k之下的频度分布。 图1.10 相同与不同k的R-R分布函数数目频度分布曲线 (2)雾化粒径的影响因素研究表明，雾化效果随各种因素的不同有不同的变化，其中影响最大的因素包括： 割嘴结构尺寸，其中尤其重要的是割嘴的出口尺寸割嘴结构参数和型式对喷油中切向速度和径向速度分量的大小有密切关系，同时对有流流经割嘴的紊流扰动强度有很大的影响，根据液体燃料的雾化机理可知，液体燃料离开割嘴时所具有的切向速度和径向速度的大小对于喷雾特性有决定性的作用，因此割嘴结构是影响雾化特性的一个重要作用。雾化剂的雾性，最重要的是气体的密度常用的雾化剂有蒸汽和压缩空气。在使用蒸汽时，蒸汽的热量在割嘴出口处大量释放出来，使油滴迅速蒸发而汽化，达到最理想的雾化程度；在使用压缩空气时，即使是经过预热的空气，在割嘴出口处放出的显热也有限，达不到使用蒸汽的效果。燃料油的雾性，最重要的是液体的表面张力研究表明，液体的粘性力一直液体表面上波的形成，并阻止由细丝进一步现成颗粒，因此液体粘性力增加，将会导致产生具有较大尺寸的颗粒。表面张力由于会组织液体表面的扰动或变形，因而可以阻碍雾化过程的进行，并组织表面波的生成，延缓丝条的形成过程，随着表面张力的增加，雾化质量会严重恶化。气液流量等流动参数，重要参数包括气液相对速度、动量比、压降等。1.3 本文的主要工作和研究内容本文在文献中对等压式割嘴喷雾实验的前提下，运用数值分析的方法对等压式割嘴进行大量的数值研究，内容主要包括以下几个方面：（1）在割嘴经典理论的基础上，建立三维的割嘴喷雾模型；对割嘴计算区域几何模型和数值模型的建立分别进行具体的确定和选择；几何模型的建立中，决定计算的准确性与收敛性的空间网格划分是一个关键的环节；数字模型的建立中，对控制方程的离散格式以及Simple算法等都进行了详细的说明。（2）确定数值模拟的过程中各参数的设定值；数值模拟参数的确定是整个计算过程中较为复杂的一个环节，它包括液滴的碰撞破碎系数的确定、动态系数的确定、最大时间步数的确定、时间步长因子的确定、颗粒轨迹的计算频率等。（3）对割嘴出口下游场、喷雾场以及割嘴的喷雾特性、流量特性等进行大量的理论分析：在割嘴下游流场的数值分析中简单的讨论气相流速对两相流场分布的影响；割嘴的喷雾特性分析主要从割嘴的运行参数、结构参数进行讨论，并且讨论割嘴出口下游截面雾化粒子的分布情况；另外，对割嘴的气相流量特性也进行相关的分析。（4）数值模拟结果的后处理。在本课题中运用图像和曲线图两种方式对计算结果进行表达，以有效的判断计算结果的准确性和变化规律，进而了解所研究割嘴的喷雾特性。2 等压式割嘴的数学模型2.1研究割嘴的几何模型及网格划分 2.1.1等压式割嘴几何模型等压式割嘴是一种混合式气流雾化割嘴，雾化介质除用蒸汽外也可以用压缩空气。根据流动的粘性动力特性可通过雷诺数进行相似换算的特点，研究中选择用水来替代燃油作为研究材料，雾化介质为压缩空气。这种割嘴的结构比较简单，它由油孔、气孔和混合孔组成，压缩空气经过气孔与来自液体通道的流体在混合孔内混合后，从喷出口喷出并膨胀雾化。这种割嘴的油大部分沾在混合孔壁上，形成油膜，受雾化介质的作用而加速从喷口喷出，形成环状油膜，燃油破碎成雾滴。其几何图如图2.1所示。图2.1 等压式割嘴结构设计和运行实践表明，这种割嘴具有很多的优点： （1）割嘴结构简单，气和水供给压力比较低。 （2）由于兼有机械雾化割嘴的特点，其气耗量也不高。 （3）割嘴单只出力大。由于等压式割嘴可通过增加孔来提高出力，故易于设计出高出力割嘴，据介绍目前已有单只出力达到10.000kg/h的割嘴。 （4）对液体燃料种类的适应性较强，高粘度液体也能雾化良好。 （5）雾化质量好。其雾炬的索特尔平均直径可达50微米左右，且在任何出力下均能保证良好的雾化质量。 （6）负荷变化时雾化角几乎不变。 （7）符合调节比大，使用寿命长。 （8）雾化质量与孔表面光洁度的关系较小。这使得其与机械雾化割嘴比较，使用期限较长。 2.1.2网格划分（Gambit）Gambit的主要功能有三个：构成割嘴几何图形、划分网格和指定边界模型。它最终生成具有边界信息的网格文件。Gambit能够提供多种网格类型，可根据用户的要求，自动完成网格划分这项繁杂的工作。它可以生成结构网格、非结构网格和混合网格等多种类型的网格。Gambit具有良好的自适应能力，能对网格进行细化或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑移网格。另外，网格单元方面，对于二维模型，Gambit可以提供三角形、四边形的网格单元；对于三维模型，有四面体、五面体（棱锥行或金字塔形）以及六面体单元网格。本文中用到的四面体和六面体单元网格如图2.2所示。 图2.2 单元网格图网格生成之后，可在Gambit中指定边界条件，指定边界条件的目的是后续进行CFD模拟输入边界条件。Gambit本身提供了几何建模的功能，只要模型不太复杂，一般可以直接在Gambit中完成几何模型。但对于复杂的CFD问题，特别是三维CFD问题，Gambit并不是很有效，这是可以借助专用CFD软件来完成几何模型。Gambit可以导入CFD软件或前处理软件生成的几何模型，能够导入的几何模型文件的类型包括ACIS、Parasolid、IGER和STEP等格式。Gambit是一个开放性的软件，它不仅体现在输入方面还体现在输出方面，它不仅能为Fluent输出网格，而且还可以为其他分析软件提供网格，如ANSYS等。生成网格过程：无论结构网格还是非结构网格，都需要按照下列过程生成网格： （1）建立几何模型。几何模型是网格和边界的载体。对于二维问题，几何模型是二维面；对于三维问题，几何模型是三维实体。 （2）指定边界条件。为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。研究中计算区域选择气孔、混合孔部分以及割嘴下游200mm的喷雾区。由于割嘴尺寸较小，喷雾区尺寸较大，对割嘴部分采用局部网格加密。对于割嘴部分选用Tgrid网格划分方案，单元元素主要是Tet/Hybrid，对于喷雾区选用Cooper网格划分方案，单元元素主要是Hex/wedge。所得到的割嘴网格图如图2.3、图2.4所示。图2.3 局部网格图图2.4 整体网格图2.2等压式割嘴的数学模型 2.2.1相关方程作为流体力学解析基础的基本物理定律有：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这些定律的适用性与流体的个别属性或特殊流动过程无关，是任何流体在任何过程中都必须遵从的。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。守恒型的控制方程或控制方程的守恒形式（conservative form），是指对流项都采用散度（divergence）的形式来表示。从数值计算的观点，守恒型的方程有两个优点： （1）计算可压缩流动时，守恒型方程可以使激波的计算结果光滑而且连续，而应用非守恒型方程时，激波的计算结果会在激波前及激波后引起解的振荡，并导致错误的激波位置； （2）保证数值计算结果满足守恒定律。只有守恒型的控制方程才可以保证对有限大小的控制容积内所研究的物理量的守恒定律仍然得到满足。本文采用守恒型的控制方程目的在于：不论节点位置的程度如何，根据控制方程而导出的离散方程也具有对任意大小容积守恒的特性。以下为三维视角坐标系下的守恒型控制方程。 质量守恒方程（连续性方程）连续性方程描述了流动过程中流体质量守恒的性质。 动量守恒方程动量方程是动量守恒定律的数学表达式，分析微笑控制体受力及运动的情况，并运用连续性方程推导出其微分方程为： 能量方程 综上可得控制方程的通用形式： 式中为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；为广义扩散系数，为广义源项。上式中各项分别为瞬态项、对流项、扩散项和源项。任何控制方程都可以经过适当的数学处理化为上述的通用形式。不同的求解变量之间的区别除了边界条件与初始条件，就在于,的表达是不同。 2.2.2气相湍流及输运模型因为如果流动包含不同成分的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。所研究的等压式割嘴中，气象运动的湍流流动用可实现模型来描述，而组分输运用常用的组分输运模型来表达。 （1）湍流模型（可实现模型）湍流是一种高度复杂的三维非稳定、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等随时间与空间发生随机的变化。湍流运动模型有很多，Fluent提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（标准）模型、重整化群模型、可实现（Realizable）模型及雷诺应力模型和大涡模拟。因为可实现湍流模型较标准湍流模型对平面或圆形射流进行设计更加准确，所以本文采用可实现湍流模型。可实现模型的湍动能及其耗散率输运方程为： 其中, ,在上述方程中，表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，是用于浮力影响引起的湍流能产生；可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；和是常数；，分别是湍动能及其耗散率的湍流普朗特数。在Fluent中，作为默认值常数，,。该模型适合的流动类型比较广泛，包括有旋均匀剪切流，自由流（射流和混合层），腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准模型的结果好，特别是可实现模型对圆口射流和平板射流模拟中，能给出较好的射流扩张角。湍流粘性系数公式为 ，这和标准模型相同。不同的是，在可实现模型中，不再是个常数，而是如下公式计算： （2）组分输运模型 其中： 每个组分的质量分数；自定义源项；浓度梯度引起的扩散通量；化学反应的净产生率。 2.2.3 液相雾化模型 （1）喷雾模型（wave模型）空气辅助雾化模型中，液体通过喷座的作用形成液膜，空气则直接冲击液膜以加速液膜的破碎。一般的看法是，辅助空气加剧了液膜的不稳定性，同时空气有助于液滴的分散，防止液滴的碰撞。Wave模型认为气一夜之间的速度差造成了射流雾滴的破碎，这正适合所研究的等压式割嘴。因此，选择波动破碎模型描述液相的离散。波动模型： 式中：-离散过程中产生的波长，m;We韦伯数;Ta泰勒数；Oh昂赛格数；液滴半径： 式中： 模型常数，取0.61。喷雾过程中液滴半径变化率： 式中：a液滴半径，m; 液滴破碎时间： 式中：破碎时间常数，取30；波长增长率； （2）颗粒随即轨道模型颗粒随机轨道模型能够给出颗粒速度、浓度场及颗粒运动轨迹。随机轨道模型建立在瞬态颗粒动量方程的基础上。 式中：是颗粒的顺势轴向、径向及切向速度；分别是气体在三个方向上的平均和脉动速度；假设湍流是各向同性及局部均匀的，且随机速度分布满足Gaussian PDF统计分布规律，气体速度的随机取样为： （=0，1，2，3.）将u，v，w方程代入上述各方程来计算 ， 颗粒与随机涡的相互作用时间可取为：2.3方程的离散和离散格式 为实现流动的数值计算，还必须对控制方程适当的离散。目前常用的离散方法有：有限差分法、有限体积法、有限解析法和有限元法等。近年来有限体积法应用最为广泛它的基本思路是：将计算区域划分为网格，并使每个网格定周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程对每个控制体积积分，从而得出一组离散方程。 利用有限体积法得到的控制方程的离散格式通用形式为：=+b下标nb表示相邻节点。 2.4 本章小结本章中主要对所研究的等压式割嘴建立了几何模型和数学模型，详细地表达了几何模型计算区域的网格以及数学模型的解法，并且对整个的数值计算过程进行了介绍，这一系统的工作都是为后续的数值模拟打下基础。根据所研究的割嘴特点，选择割嘴的气孔、混合孔以及割嘴下游200mm的区域作为计算区域，为加速计算的收敛，将割嘴部分用局部加密的四面体网格进行划分，将喷雾区域用六面体网格进行粗化划分；确定数值模拟的具体过程，首先计算气相流场，然后将液相加入，进行耦合计算，最终得到所要的喷雾场。3 等压式割嘴的模型及基本参数3.1等压式割嘴的物理模型液体的雾化过程就是把大块液体分离成小液滴。自1878年瑞利提出射流的不稳定理论来解释液滴的分裂破碎以来，曾有许多研究人员对此进行广泛的实验研究。 3.1.1 液体碰撞模型液体碰撞模型假定碰撞发生的频率远小于计算的时间步长。如果时间步长太长，计算结果将依赖于此时间步长，用户必须相应的调整颗粒的长度标尺。此外，此模型比较适合于低韦伯数碰撞，在这种情况下碰撞的结果是合并或反弹，而当韦伯数大于100时，碰撞引起液滴破碎。 ORourke用碰撞体积的概念计算液体碰撞的概率，此方法计算小液滴在碰撞体积内的概率，而不是看是否小液滴轨迹中心线的位置在碰撞体积内。小液滴在碰撞体积内被发现的概率为： ORourke的理论，碰撞次数的概率服从泊松分布： 3.1.2喷雾液滴破碎模型Fluent提供了两种雾滴破碎模型：泰勒比破碎（TAB）模型和波动（WAVE）破碎模型。TAB模型适用于低韦伯数射流雾化以及低速射流进入标准状态空气中的情况。对于韦伯数大于100的情况，波动模型适应性较好，在低速燃料射流雾化中，波动模型适用广泛。Taylor用研究质点振动的方法类比的研究液滴破碎问题，称为Taylor类比破碎模型（Taylor analogy breakup model），简称TAB模型。设油滴直径为a，在各种外力的作用下发生振动，振幅为x，若xa，则认为油滴破碎。Wave破碎模型是1995年Hwang和Reitz提出的，此模型认为气液之间的速度差造成了射流雾滴的破碎，是用于高速射流雾化。球形液滴在垂直方向气流的作用下变成扁平形，然后在Rayleigh-Taylor(RT)不稳定表面波的作用下，加速油滴扁平形化，并分裂出一些大尺度碎片，然后再更短波长的Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定表面波作用下，把大尺度碎片割成丝状，然后生成更细的油滴，油滴群的集合体，即为油束。KH动态模型的描述如下： 其中，为昂赛格数，泰勒数，分别为液体和气体的韦伯数；为雷诺数。液滴破碎半径与快增长的表面波的波长关系为：液滴半径变化率：液滴破碎时间为模型常数，由Reitz的研究工作确定为0.61，为破碎时间常数，不同的研究者给出不同值，（Retiz，1987），（ORourke and Amsden，1987），（Patterson，1994），（Xin，1998）。3.2 等压式割嘴数值计算基本参数设置 3.2.1 参数设置前的准备工作 （1）液相（水）流量文中主要对0.0125kg/s、0.015kg/s以及0.018kg/s的水流量进行数值计算，计算它们在不同的割嘴运行参数和结构尺寸下，经过等压式割嘴以后的雾化效果情况。 （2）空气的入口条件文中对空气入口采用压力边界条件，主要对象对压力0.140.33MP范围内的空气入口进行计算。确定喷孔出口喷油平均速度式中： 割嘴内油压降； 油密度， （3）等压式割嘴气流出口速度等压式割嘴的气流出口、进口压力比一般大于临界压力比，故气流的出口等于音速。临界速度公式为：式中： 气流进口压力，（Pa） 气流比容。 3.2.2网格单位选择Fluent不管你在创建时用的什么单位，只要被读入，均假定是以m为单位，所以在导入网格文件时，必须注意按当前设定的单位对网格进行缩放处理，以保证其几何尺寸的有效性。操作：DisplayGrid. 设置对话框如图3-1所示。图3-1 网格显示对话框打开网格显示对话框后，点击Display，便可得到网格。网格如图3-2所示：图3-2 整体网格 3.2.3选择求解器机器运行环境 （1）求解器的选择在准备好网格后，就需要确定采用什么样的求解器及采用什么样的工作模式。Fluent提供了分离式和耦合式两类求解器，而耦合式求解器又分为隐式和显式两种。分离式求解器以前主要用于不可压缩和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压流动。现在，两种求解器都是用于从不可压缩到高速可压的很大范围的流动，但总的来说，当计算高速可压流动时，耦合式求解器比分离式求解器更有优势。耦合式求解器因为耦合了流动和能量方程，常常很快便可以收敛，但是耦合式求解器所需要的内存大约是分离式求解器的1.5到2.0倍。另外，在分离式求解器中提供的几个物理模型，在耦合式求解器中没有。鉴于上述条件，结合作者所使用的的计算机配置，在不影响运算结果的前提下，为提高效率，选择分离式求解器。 （2）计算模式选择根据割嘴的空间几何特性，在Space选项中选择3D（三维）。因为计算中采用了两大步：一，计算连续相（压缩空气）流场；二，在空气流场的基础上加入离散相，实现喷雾过程。所以在计算连续相的时候采用Steady（稳态），而液相喷着本身是一个非稳态过程。所以对于离散相的计算采用Unsteady，并选择2nd-Order Implicit（二阶隐式）。在计算时速度是采用Absolute（绝对速度）处理，选用Cell-Based（按单元中的压力梯度计算）来控制方程中的导数项。离散相求解器具体的参数设置如图3-3所示：图3-3 离散相求解器具体的参数设置 3.2.4确定计算模式在准备好网格，并选择了求解器之后，就需要决定采用什么样的计算模型，即通知Fulent是否考虑传热，流动是无粘、层流还是湍流，是否多相流，是否包含相变，计算过程中是否存在化学组分变化和化学反应等。实质上也就是确定在计算过程中采用哪些方程作为控制条件。依据所研究割嘴的具体情况，模型选择步骤如下：激活能量方程，计算过程考虑热交换；根据湍流流动各自的特点，最终选择了可实现k湍流模型：图3-4 流体模型设置 因为经过诸多研究者的实验研究，认为这种模型更能很好地表达平面或圆形喷射。在使用这种模型的同时，采用了Fluent中的默认值。 3.2.5设置流体材料属性操作：DefineMaterials. 对Define中的材料项进行设置，以符合要求。 打开“Materials”设置对话框如图3-5所示：图3-5 流体材料属性设置 3.2.6设置边界条件（连续相） 操作：DefineBoundary Conditions. 打开“Boundary Conditions”设置对话框如下图所示： 图3-6 Boundary Conditions设置 Inlet_1设置pressure-inlet如图3-7所示：图3-6 Inlet_1的pressure设置对于其他的边界条件均保留默认设置即可。3.3求解初始化设置 3.3.1求解初始化 操作：SolveInitializeInitialize.在Compute From选项选择inlet_1项，其他项保留默认设置：图3-7 Compute From选项 3.3.2设置监视器 操作:SolveMonitorsResidual. 打开“Residual Moutors”设置对话框如图3-8所示。图3-8 Residual Moutors对话框 在Options项选择Plot，保留其他设置，点击OK。 3.3.3设置离散相在计算颗粒轨道时，颗粒沿轨道有着一定的质量，动量的得到与损失，并且这里物理量能作用于后面的连续相计算中去，于是在连续相影响离散相的同时，离散相也作用于连续相，存在耦合作用。利用Fluent设置离散相模型继而完成流体模型计算。操作：DefineModelsDiscrete Phase. 离散相模型计算参数设置如图3-10所示：图3-9 离散相模型计算参数设置 UDF的设置如图3-10所示：图3-10 UDF设置 点击Create打开如图3-11对话框：图3-11 流体流速设置对话框 在Injection Type的下拉选项中选择surface项，在Release From Surfaces中选择inlet_2； 在Materials的下拉选项中选择gasoil-liquid项； 在Point Properties中的Y-Velocity填入5，在Stop Time中填入0.8，在Total Flow Rate中填入0.0001，选择最下方的Scale Flow Rate by Face Area。保留其他默认设置。3.3.4设置边界条件（离散相） 选择inlet_2，点击Set.打开如下图对话框，在DPM项中的Boundary Cond.Type下拉菜单中选择escape。 3.3.5求解初始化（设置离散相） 操作：SolveInitializeInitialize. （1）在Compute From选项选择inlet_1项； （2）其他项保留默认设置；3.4保存Case文件，求解计算 3.4.1保存文件 操作：FileWriteCase. 3.4.2求解计算操作：SolveInerate按键Iterate可得如下计算收敛图形 图3-12 Iterate设置 图3-13 计算收敛所得的图像 3.4.3保存计算结果 操作：FileWriteData. 应用Save保存所求的结果。3.5本文小结本章主要从割嘴的雾化机理方面介绍了割嘴的物理模型以及数值模拟过程中参数的设置情况。对于割嘴的研究，气相流场的计算采用分离式、稳态计算，选择可实现的k湍流模型和化学物种传输模型计算气相流场的分布；离散相喷雾采用耦合、稳态喷雾模型计算，耦合计算中的时间步长设定为5e-06s。4 计算结果的后处理4.1读入Case和Data文件 操作：FileReadCaseData.4.2显示网格 操作:DisplayGrid. 注意： （1）在Options项可以选择线或面； （2）在Surfaces列表中，可以选择不同的面进行网格显示和观察； （3）可以利用鼠标左键对图形进行旋转、缩放和移动。4.3等（坐标）值面为显示3D模型的计算结果，需要创建一些面，并在这些面上显示计算结果。Fluent自动定义边界面为面显示计算结果。4.4绘制XY曲线 4.4.1在流场内定义一条线，绘制物理量在此线上的分布 操作：SurfaceLine/Rake.打开“Line/Rake Surface”对话框如图4-1所示：图4-1 Line/Rake Surface设置 （1）在Type下拉菜单中选择Line； （2）其他设置均保留默认值； （3）点击Create，点击Close关闭对话框。 4.4.2绘制沿此线的压强的分布图 操作：PlotXY Plot. 打开“Solution XY Plot”对话框如图4-2所示：图4-2 Solution XY Plot的设置 （1）在Y Axis Function下拉菜单中选择Pressure.和Static Pressure； （2）在Surfaces列表中选择Line_6； （3）在Plot Direction项，设X=0，Y=0，Z=1；这将会绘制沿Z轴的压强分布图； （4）点击Axes.修改轴向坐标的显示范围：此时会打开“Axes-Solution XY Polt”设置对话框如图4-3所示。图4-3 Axes-Solution XY Polt的设置 （1）在Axis项选择X； （2）在Option项，选择Auto Range； （3）点击Apply，点击Close关闭对话框； （4）在Solution XY Plot对话框中，点击Plot。得到压强分布曲线如图所示：图4-4 压强分布曲线 以上是氧气入口直径为1.9mm，压力为0.2MP且水孔直径1.6mm，混合孔直径2.8mm时，压力的分布情况。 以下分别压力为氧气入口直径为1.9mm，2.2mm，2.4mm时压力分布图：图4-5 压强分布曲线（1.9mm）图4-6 压强分布曲线（2.2mm）图4-7 压强分布曲线（2.4mm）4.5本段小结Fluent软件不仅是流体计算软件而且是后处理软件，它可以跟据不同的需要显示出更为合理的曲线，只要通过设置就能完成流体计算中最为复杂的计算过程，大大的节省了时间，虽然该软件中使用的公式大多还为经验公式，不过其准确率是很高的，而且在很多领域中都得到了广泛的应用。4.6割嘴结构对雾化效果的影响割嘴雾化效果的影响因素有很多其中主要因素是：割嘴结构参数、流体物性和割嘴的运行工况参数。现从割嘴的结构方面来分析，通过对不同尺寸的等压式割嘴进行模拟计算，讨论割嘴的结构尺寸对雾化效果的影响。 4.6.1气孔直径对雾化效果的影响通过对气孔分别是2.2mm，1.9mm，2.4mm，水孔直径是1.6mm和混合孔直径为2.8mm的三种尺寸的割嘴在相同的气耗条件下进行数值分析。通过调节液相流量来调节气液质量流量比，计算得到的气孔直径影响结果如图4.8所示。从图4.8首先可以看出，随着气液质量流量比值的增大，割嘴的雾化粒径呈现不断减小趋势。另外，随着气孔直径的增大，雾化粒径增大，这是因为同样的气耗条件下，气孔直径增大导致割嘴初始气、水压力降低，引起雾化效果变差。图4.8 气孔尺寸对雾化效果的影响 4.6.2水孔直径对雾化效果的影响通过对气孔直径分别是2.2mm，混合孔直径是2.8mm，水孔直径分别是1.6mm、1.8mm、2.0mm的三种割嘴进行数值分析，得到的水孔直径的影响结果如图4.9所示。图4.9表明，随着水孔直径的增大，雾化粒径不断减小。这是因为水孔直径的增大，导致割嘴出口环状流尺寸变大，液相速度减小，气液相对速度增大，而气液速度差又是等压式割嘴的主要雾化方式，所以雾化效果更好。4.9 水孔尺寸对雾化效果的影响 4.6.3混合孔直径对雾化效果的影响通过对气孔直径是2.2mm，水孔直径是1.6mm，混合孔直径分别是2.6mm、2.8mm、3.0mm的割嘴进行数值分析，得到的结果如图4.10所示。图4.10表明，混合孔直径对雾化效果的影响曲线呈现了交叉现象。这是因为：第一，混合孔是一个多因素孔，混合孔的长度对雾化效果本身就是一个很重要的影响因素，文中所研究的割嘴混合孔长度均为10mm；第二，在气耗率比较低时割嘴的机械雾化作用占优势，混合孔大的割嘴气水供给初压会偏低，而在高气耗率时，气力辅助雾化发挥主要作用，混合孔直径小的液膜厚度大，雾化效果差；第三，本身在设定割嘴出口环状流尺寸的时候存在一定的误差，文中在设定割嘴出口环状流尺寸的过程中是根据割嘴的设计尺寸、文献中对于简单的旋流割嘴和气液两相流割嘴内的气孔孔道模拟为参考，以及作者在二维空间中对等压割嘴内部流场的模拟为依据，经过不断的设定修正得到的。图4.10 混合孔直径对雾化效果的影响 4.6.4割嘴结构对雾化效果的影响小结通过对等压式割嘴的割嘴结构对雾化效果影响的数值计算得到以下结论：(1)随着气液质量流量比值增大，割嘴的雾化粒径变小；(2)在同样的气液质量流量比值下，气孔直径越大；水孔直径越大，粒子直径减少；混合孔直径的影响曲线则在不同的气液质量比值下呈现交叉现象。这一模拟结果表明，割嘴的结构参数也是影响割嘴雾化效果的一个关键因素，并且气孔、液孔、混合孔尺寸对雾化效果的影响并不是孤立的。另外，各个孔的长度尺寸，也很大程度上影响着割嘴的雾化效果，但由于时间和计算机配置等因素的限制，在此并没有进一步的讨论。4.7割嘴雾化粒径的分布情况 4.7.1割嘴出口下游截面雾化粒径分布 通过模拟结果，对入口直径（2.2,1.6,2.8）割嘴雾化后距离割嘴出口下游200mm处截面的液滴粒径分布情况进行分析，具体的粒径分布如图4.11所示：图4.11 截面雾化粒径分布 从图4.12可以看出，割嘴下游截面的粒径分布是有规律的，基本呈现轴对称的粒径分布，沿着径向方向粒径呈现不断增大的趋势，这是在割嘴出流以后，靠近轴线的液滴发生二次雾化而距离轴线较远的液滴是因为跟空气的相对速度小很少发生二次雾化造成的。也有的文献将它的原因解释为，在割嘴出口后方，形成的较大的液滴具有较大的动量和较强的贯穿能力，使之能够比较小颗粒扩散的更快，飞行的更远。 4.7.2割嘴出口下游截面雾化粒径百分数分布 讨论割嘴出口下游截面雾化粒径百分数分布情况。 割嘴出口下游200mm处截面的粒径在该截面的百分数分布如图4.12所示：图4.12 粒径百分数分布从粒径的百分数分布可以看出，截面上雾化粒径大多分布在87200之间，基本能够满足雾化要求。另外从图还可以看出，在离割嘴较远的200mm截面上，各个直径段的粒径分布基本均匀，在距离割嘴越远的截面上，该截面上的液滴分布会更均匀是吻合的。 4.7.3截面雾化粒径分布小结 模拟结果表明，割嘴出口下游截面粒径基本成轴对称分布，并且沿着径向方向粒径是不断增大的。另外，离割嘴出口下游较远的200mm处的截面粒径分布比较均匀。4.8割嘴气相流动特性割嘴的流量特性也是描述割嘴的一个常用的参数，本文中对等压式割嘴的气孔直径以及混合孔直径对气相流量的影响进行了一定的分析。4.8.1气孔直径对气相流量的影响气孔直径对割嘴气相流量的影响如图4.13所示： 图4.13 气孔直径对喷嘴气相流量的影响 从图4.13可以看出，随着气孔直径的增大，在相同的气相压力下，割嘴的气体流量也随着增大。当气相压力较小时，流量差别较小，气相压力较大，割嘴的流量差别也就越大。4.8.2混合孔直径对气相流量的影响 混合孔径对气相流量的影响如图4.14所示：图4.14 混合孔直径对喷嘴气相流量的影响从图4.14可以看出，在相同的气相压力下，混合孔直径较大的，割嘴的气相流量也较大，而在混合孔直径为2.8mm和2.6mm、3.2mm和3.0mm时，相同的气相压力下，割嘴的气相流量也几乎相同，这就说明混合孔直径减小到一定程度或增大到一定程度以后对割嘴的气相流量的影响已经很微小。4.9割嘴气相流量特性小结从割嘴气相流量特性的研究得出，相同的气相压力下，气孔直径大的割嘴的气相流量也大，在压力较小的范围，气相流量相差不大；同样的，相同的气相压力下，混合孔直径大的，割嘴的气相流量也大，但是当增大或减小到一定程度的时候，割嘴气相流量几乎不变化。4.10本章小结本章中应用数值分析的方法，分别对割嘴及其出口下游区域的气液两相流场、喷雾场、割嘴的雾化特性、气相流量特性等进行了数值研究。分析了气相流速对两相流场的影响；探讨了割嘴的运行参数、结构特性对割嘴雾化效果、流量特性的影响。并根据模拟的结果得出，割嘴出口下游截面液滴的雾化粒径分布呈现轴对称的分布规律。数值的模拟结果为割嘴的设计、运行、改造将有一定的现实的意义。5结 论 随着人们节能和环保意识的日益提高，作为燃烧过程、生产过程、工艺流程中必不可少环节的割嘴技术受到了人们的普遍关注，对于割嘴，雾化过程的雾化质量是关键，通过本文对割嘴雾化的研究对割嘴性能得出了如下结论： (1)气象流速对割嘴计算区域内气液两相流场的影响：通割嘴气相流速的增大对割嘴出口下游流场的速度结构分布几乎没有影响，只是在各截面上速度大小有所增加；但是随着气相速度的增大，气相对液相流场的扰动不断的向前推进。 (2)结构参数对雾化效果的影响：同样的气液质量流量比下，气孔直径越大的，雾化效果较差，水孔直径较大的，雾化粒子直径较小，混合孔对割嘴雾化效果的影像呈现了交叉现象，割嘴结构对雾化效果的影响并不是孤立的。 (3)在本文中运用了连续相和离散相，使的模拟过程更加的接近实际过程，由于模拟过程使用的是经验公式，所以无论如何接近，都是而且只是模拟过程。和实际的割嘴雾化过程存在着一定的差距。参考文献1 艾育华 主编 .割嘴与蒸汽喷射器研究 . 北京冶金出版社，20012 朱宁昌 主编 .火焰切割 朱宁昌 . 北京机械工业出版社，20013 侯凌云 主编 .割嘴技术手册 . 中国石化出版社，20024 张淑荣 主编 .气流式雾化割嘴的特性研究 . 大连理工大学出版，20065 韩占忠 主编 . Fluent流体工程仿真计算实例与应用 . 北京理工大学，20046 侯凌云 主编 .火焰切割工艺 . 中国石化出版社，20007 安辉 主编 .内混式双流体渣油雾化割嘴实验研究 . 大连理工大学， 20038 朱宁昌 主编 .液体火箭发动机设计 . 北京宇航出版社， 19949 J.S.Chin,N.K.Rizk, and M.K.Razdan.Study on Hybrid Airblast Atomization.Journal of Propulsion and Power,199910 傅维标 主编 .燃烧物理学基础 . 北京机械工业出版社， 199411 张宝珍 主编 .针形割嘴结构对射流特性影响的实验研究 . 天津科技大学， 200312 孙继国 田昌义 主编 .气液同轴直流式割嘴雾化及燃烧试验研究 . 航空动力学报， 200013 王新军 主编 .燃油割嘴气液两相流物化特性研究，199914 A.Kushari,Y.Neumeier, B.T.Zinn. A Theoretical Investigation of the Performance of the of a Internally Mixed Liquid Atomizer ATAA2000-1021谢 辞大学四年转眼即逝，在最后的这一段课题研究中，作者取得的每一点进步与成绩都离不开佟洪波老师的悉心指点，在这里我向我的导师表示深深的谢意，向各位老师不辞辛苦参加我的论文答辩表示衷心的感谢。在这里本把论文设计的目的和主要内容向各位老师一一汇报，恳请各位老师批评指导。在论文的研究过程中，我不仅学会了如何做学术研究，应用数学模拟软件，并且开拓了思想，锻炼了自己的动手、动脑能力，这对我以后将是是巨大的财富。最后感谢评议本文以及出席论文答辩的各位专家教授给予我的指导。袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀