内混式雾化喷嘴内气液混合机理研究.doc

中国工程热物理学会 多相流学术会议论文 编号：116066内混式雾化喷嘴内气液混合机理研究李舟航, 吴玉新，蔡春荣，张大龙，龚迎莉，吕俊复，刘青（清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室, 北京 100084）(Tel:802, Email: )摘要：对一个内混式双流体雾化喷嘴内部的混合和流动过程，以及近喷嘴区的两相流动特性进行了实验研究。结果表明，压力和气液质量比(GLR)对混合室内的流型有明显的影响，GLR的影响更显著。随着GLR的增大，混合室内流型由液栓状流过渡到环状流。近喷嘴区流动的稳定性取决于混合室内流动的稳定性。混合室内的流动和混合对喷嘴的雾化性能起主导作用。基于实验数据，提出了计算液体质量流量、喷嘴出口处气液速度滑移比和液膜厚度的模型，模型对操作参数的选取和喷嘴的设计有一定的指导意义。关键词：双流体雾化喷嘴；内混合；两相流流型；气液速度滑移比Fundamental study of gas-liquid mixing schemes in an internal-mixing atomizer Li zhouhang*, Wu Yuxin, Cai Chunrong, Zhang Dalong, Gong Yingli, Lu Junfu，Liu Qing (Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084,China)(Tel:802, Email: )Abstract: Gas-liquid mixing and flow regimes in an internal-mixing twin-fluid atomizer were studied experimentally. Results show that injection pressure and Gas to Liquid Ratio by mass (GLR) influence flow regimes in the internal mixing chamber obviously. GLR has a stronger effect on the two phase flow. As GLR increased, flow regimes transformed to annular flow from liquid slug flow. Mixing and flow regimes in the mixing chamber dominated atomization performance. Based on experimental results, a model was presented to calculate liquid mass flow rate, velocity slip ratio and liquid film thickness at the exit orifice. Keywords: twin-fluid atomizer; internal mixing; two-phase flow regime; velocity slip ratio0 前言雾化喷嘴在锅炉燃油器和喷雾干燥等工业领域被大量地使用1。其中，双流体喷嘴第一作者，通讯作者：李舟航（1988-），男，云南宣威人，博士研究生，主要从事锅炉水动力研究。基金项目：973资助项目(2010CB227000)，三菱重工（MHI）合作项目是应用范围比较广的一种雾化喷嘴。它通过将气体引入液体中，使两相间产生强烈相互作用，并产生不稳定的两相流动，这种相互作用将液体迅速破碎，形成较小的液膜，进而形成粒径很小的液滴。根据流体混合方式的不同，双流体喷嘴通常可以分为内混式、过渡式和外混式三种2-5。目前，锅炉内广泛使用的Y型燃油器就属于过渡式双流体喷嘴。虽然Y型喷嘴具有能在固定蒸汽-油流量比或固定蒸汽-油压力比下工作的特点，但是由于其气液混合空间有限，混合过程不够充分。此外，Ferreira等2已经指出，通过增加内混合空间可以提高Y型燃油器的性能，因此对内混式喷嘴进行研究是有必要的。在内混式喷嘴中，气体和液体在内混合室内发生剧烈的混合和相互作用，形成细小的液膜、液带和液滴。混合气-液工质从喷嘴喷出后，由于气体的膨胀使较大的液滴能够进一步发生破碎，发生二次雾化，从而形成更细的液滴6。内混合室内气体和液体的混合过程对喷嘴的雾化性能起着主导作用，已经有学者们对此展开了研究。Kufferath等研究了进入混合室的液体在不同流动状态下（层流和湍流）的喷嘴雾化性能，认为进入混合室的液体的流动状态对雾化后液滴的平均直径有较大影响。Lefebvre等8利用经验关系图从理论上分析了混合室内的流型变化。Kim等研究了气液质量比（GLR）对内部混合的影响。Ferreira等10研究了内混合室的几何尺寸对腔内流型的影响。已有的文献很少涉及到注入压力对混合室内气液混合的影响的实验研究。本文对一个内混式喷嘴内部的混合过程进行了实验研究。采用高速摄像技术对混合室内的不同流型进行了观察和比较，分析了注入压力p和气液质量比GLR对气-液混合过程的影响。对近喷嘴区的气液两相流也进行了观察和分析。在此基础上，提出了一个内混式喷嘴的流动模型，结合实验数据计算了喷嘴出口处的气液速度滑移比（sr），分析了压力和GLR对sr的影响，计算了喷嘴出口处的液膜厚度。1 实验系统和测量方法实验中所用的内混式双流体喷嘴如图1所示，气、液工质分布为空气和水。为了便于对混合室内的流型进行观察，喷嘴由有机玻璃制造而成。喷嘴总长约为600mm，水从一个直径为4mm的小孔进入混合室，水入口孔的四周均匀布置四个内径为1mm的空气入口孔，空气入口孔与水平方向呈45夹角。内混合室的长度为60mm。喷嘴气液两相出口的直径为3mm。空气气水图1 内混式喷嘴的几何尺寸和实物图图2是实验系统的示意图。实验中气体和液体在一定压力下被压入喷嘴，两相工质在混合腔内进行混合后被喷入观察段。在观测段设有高速摄像机，拍摄内混合室内的流型变化和近喷嘴区的气液流动。为了精确控制气体和液体的流量，每条管路上都设有一个球阀和一个针阀串联。采用转子流量计精确测量气体和液体工质的流量，测量的最大误差为1%。高速摄像机的型号是PCO dimax（Cook公司制造）， 最高ISO为50000，最小曝光时间可达2s，在400万像素分辨率下每秒可拍摄1297帧。本实验中，为连续观察流型变化，设定曝光时间为10s，拍摄频率为10000 fps。图2 实验系统图1- 承压水容器, 2-调节阀, 3- 液体流量计,，4- 压力表, 5-雾化喷嘴, 6- 观测段, 7-高速摄像机, 8- 气体流量计, 9- 收集容器, 10-空气出口实验在不同的GLR和工作压力p下观察了混合室内的气液混合过程以及近喷嘴区的气液流动。实验中压力p范围为0.10.5Mpa，空气-水质量比GLR范围为0.020.2。通过改变p或GLR的值，并通过高速CCD拍摄流动特性来分析上述参数对混合室内气液混合特性的影响。2 实验结果和讨论2.1 混合室内的两相流流型混合室内两相流的流动形态对喷嘴的雾化性能有重要的影响。压力为0.1Mpa时，不同GLR下混合室内的典型流型如图3所示。当GLR=0.02时，液体以液柱的形式流下，空气环绕在中心液柱周围。液柱最终撞击到混合室底部，形成小液珠。GLR增大到0.05后，受引入空气的影响，中心的液柱变得不稳定，一部分液柱发生周期性地破碎，在混合室壁面上形成了少量液膜，流动形态开始由液栓状流向环状流转变。继续增大GLR至0.1，中心液柱所占份额大大降低，液柱流动极不稳定，大部分的液体都以液膜的形式向下流动。GLR增加到0.2后，混合腔内的流动已经变成了很稳定的环状流。随着GLR的增加，混合室内的流型从液栓流过渡到液栓-环状流，最终发展成稳定的环状流，GLR的大小决定了混合室内的流型。当工作压力由0.1增大到0.3Mpa时，在相同GLR下，混合室内的流型发生了明显的变化。GLR=0.02时，中心液柱撞击到混合室底部后形成了大量的液珠，并发生一定程度上的返混，与图3（a）相比，混合室内的混合过程明显得到加强。增加GLR至0.05，两相流同样已经开始从液栓状流向环状流转变，与图3（b）相比，中心液柱的破裂更明显，并形成更多的液膜。继续增加GLR到0.1后，混合室内已经形成了较稳定的环状流。当工作压力进一步增加到0.5Mpa后，如图5所示，混合室内的流型又发生了较大的变化。GLR=0.05时，液柱进入混合室后，在周围气体的强烈作用下迅速发生破裂，形成了大量的液团。这些液团与壁面撞击后形成液珠，并在一定程度上发生返混。同时，混合室壁面上也形成了液膜。与图3、4比较，可以认为p=0.5Mpa，GLR=0.05时混合室内的两相流形态更接近环状流。GLR增加到0.15后，气液流动已经转变成十分稳定的环状流，液膜厚度几乎没有变化（图3、图4中在稳定的环状流时液膜厚度依然会有波动）。(a) (b) (c) (d)图3 p=0.1Mpa时混合室内的混合情况：(a) GLR=0.02, (b) GLR=0.05, (c) GLR=0.1, (d) GLR=0.2图4 p=0.3Mpa时混合室内的混合情况：(a) GLR=0.02, (b) GLR=0.05, (c) GLR=0.1, (d) GLR=0.2(a) (b)图5 p=0.5Mpa时混合室内的混合情况: (a) GLR=0.05, (b) GLR=0.15混合工质离开喷嘴时，由于气液间强烈的相互作用，气体压力往往高于环境压力，因此气体仍会发生膨胀，这有助于液滴的进一步雾化。这一现象在较低压力和GLR条件下尤为明显，如图6所示，主要原因是在较低GLR条件下，两相流型处在液栓流动的状态，具有较强的不稳定性。 (a) (b)图6 不同压力下GLR=0.02时，喷嘴外的气体破碎现象: (a) p=0.1MPa, (b) p=0.3MPa(b)2.2 内混式喷嘴的两相流动模型根据实验观察，对气-液两相流体在喷嘴出口内的流型进行分析，发现其流型也属于环状流动，这也为许多学者所证实11-13。基于上述流型假设以及伯努利定律，可建立双流体喷嘴的气-液流动模型，从而预测给定操作条件下的工质流量、出口速度以及液膜厚度等关键变量，为喷嘴设计提供帮助。根据表观含气率的定义，可得： (1)其中，是表观含气率，sr是气-液速度滑移比。根据伯努利定律： (2)在环状流动假设条件下，可以得到液膜厚度的计算公式为： (3)其中是液膜厚度，是喷嘴出口直径。而液体质量流量可以由下式求得： (4)由于sr的经验公式很少，且大部分公式建立在环状流充分发展的前提下，不适合本实验的范围，因此喷嘴出口处的气液速度滑移比sr主要依靠测量获得。在本实验中，可得到特定工作压力p和GLR下气、液工质的质量流量，从而根据式(1)至式(4)反求出sr。根据实验结果计算得到的速度滑移比sr如图9所示。当压力分别为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa和0.4MPa时，sr随GLR的变化并不明显，应用最小二乘法得到的拟合值分别为2.7、2.5、2.6和2.8。当压力增至0.5Mpa后，sr呈现出随GLR线性增长的趋势。总的来说，当两相之间的动量交换不够充分，即两相之间的混合过程很不稳定时，GLR变化时sr会产生较大的波动。压力为0.2或0.3Mpa，GLR为0.050.15时，喷嘴内气液之间的动量交换是比较充分和稳定的。液膜厚度的计算结果如图10所示。不同压力下，随GLR的变化趋势基本是一样的，先迅速地减小随后缓慢地降低。在同一GLR下，随着压力的增加，先减小随后增大。当压力为0.2Mpa或0.3Mpa时，液膜厚度达到最小值。由于液膜越薄，生成细颗粒的概率越高，说明该喷嘴的最佳工作压力为0.20.3Mpa。图9、10表明模型的计算结果对操作条件的选择有指导意义。根据计算结果，压力为0.2或0.3Mpa，GLR为0.050.15时，喷嘴内气体和液体的混合过程是比较充分和稳定的，也能够生成较薄的液膜，有助于进一步产生很细的液滴。 图9 不同p、GLR下的速度滑移比sr 图10 不同p、GLR下的液膜厚度为了在已知压力p和GLR的条件下预测喷嘴的气体、液体流量和液膜厚度，需要掌握sr的变化特性。根据前面的分析，可以近似认为sr只和压力p有关。通过实验数拟合得到sr与p之间的关系式为： (5)其中，压力p的单位为MPa。根据式(5)计算得到的液体流量相对于测量液体流量的误差如图11所示。在整个实验范围内，最大的预测误差约为10%，较大部分工况的实验误差在5%以内。因此，在工程误差的范围内可以认为sr只与p有关，对喷嘴出口处进行模型预测时，求解式(1)-(5)式即可得到液体流量、液膜厚度、气液速度滑移比的预测值。图11 模型计算与测量得到液体质量流量的相对误差3 结论本文搭建双流体内混式雾化喷嘴实验系统，研究了不同工况下该喷嘴的雾化特性，对混合室内的流动过程以及近喷嘴区的两相流动进行了观察和分析。发现压力p和气液质量比GLR都能影响混合室内的气液相互作用。GLR对混合室内气-液流型的影响比p显著。随着GLR的增加，混合室内流动从液栓状流逐渐过渡到环状流。混合室内的流动能够明显地影响近喷嘴区的射流，后者的流动稳定性取决于前者。混合室内的流动和混合对喷嘴的雾化性起着关键作用。雾化喷嘴出口附近处仍然可观察到气体膨胀现象，这一现象有助于液滴的进一步雾化。基于环状流假设和伯努利定律，建立了气-液工质在喷嘴出口处的流动模型，并根据实验结果计算出气液速度滑移比sr。发现sr仅受压力p影响，与GLR关系不大。在此基础上拟合了sr与p之间的关系，将其应用于气-液流动模型中。计算表明，在工程误差范围内，模型的预测结果是可以接受的，对喷嘴的工况选取和设计有一定的指导意义。参考文献1 Lefebvre A H. 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