2864 基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究
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2864
基于ANSYS的喷雾器喷嘴流场仿真研究
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江苏大学硕士学位论文自吸空气式旋转喷雾降尘技术的研究姓名：葛志林申请学位级别：硕士专业：安全技术及工程指导教师：马中飞20070601江苏大学硕士擘位论文摘要多年来，由于作业环境不良和粉尘危害严重，尘肺每年给国家造成高达近百亿元的直接经济损失。我国的尘肺危害无论在患病人数、发病率，还是增长幅度都居世界首位。虽然目前通过对产尘机理的研究以及降尘技术的推广对粉尘的防治起到了一定的作用，但粉尘的根本问题未得到解决，因此，在采用现有技术的同时，还必须不断研究新的降尘技术，做好降尘工作是关系到改善环境、保护人民生命安全与健康、文明生产、降低生产成本、顺利发展生产的一项重要工作，具有十分重要的意义。本文采用理论和实验相结合的办法。首先是对喷雾器的雾化机理，两相流流体力学理论、雾化模型、设计依据、捕尘机理、影响降尘效率的因素进行了研究。其次本文在前人研究的基础上，运用射流泵和文丘里管的基本理论，设计了几种内部结构参数不同的自吸空气式旋转喷雾器实验模型，系统地研究了其内部结构参数对其喷雾器有效射程、喷射角、S M D ( 索达尔直径) 、吸风量的影响，在喷水量相同的情况下，覆盖范围、有效射程、喷射角、S M D 、吸风量达到最优。然后对喷雾器进行了实验室实验研究。由正交表正交试验，我们得出在喷水量相同的情况下，当压力为1 3 M P a 、喉嘴距4 8 m m 、扩散角3 0 。时，喷雾器的有效射程、喷射角、S M D 和吸风量达到最优。4 搏天罕坝士罕伍馆又通过压力流量特性、雾化特性试验的拟合、作业现场测量得到了喷雾器的特性参数。通过出口断面风速分布，喷雾器降尘总效率和分级效率实验，性能比较试验将自吸式与常规喷嘴喷雾器进行了对比。自吸式喷雾器比常规喷嘴的出口风速分布要均匀。自吸式与常规喷嘴总粉尘的降尘效率差不多，但是对于呼吸性粉尘，自吸式喷雾器降尘效果要好。自吸式喷雾器在和常规喷嘴在水压一定的情况下，喷射角和有效射程相差不大，但S M D 值下降很多。本课题研究具有一定的价值。最后用f l u e n t 软件对常规喷嘴、自吸空气式雾化喷雾器的流场分布进行了数值模拟，得出在同一位置处自吸式的截面平均S M D 值比常规喷嘴小，同一截面上，自吸式流量密度分布要比常规喷嘴均匀。关键词：自吸空气式旋转喷雾器，f u e n t 软件，正交试验，S M D ，降尘效率江苏大学硕士学位论文 B S T R C TF o rm a n yy e a r s ，t h ew o r ke n v i r o n m e n ta r en o tg o o da n dt h ed u s th a r mh a sb e e ns e r i o u si no u rc o u n t r y A n de v e r yy e a rt h ec o u n t r yh a v ea sm u c ha s10m i l l i o nY u a nd i r e c te c o n o m i cl o s s e sb e c a u s eo f p n e u m o c o n s i s O u rc o u n t r y Sp n e u m o c o n i o s i sh a r m sa r en o to n l yi t ss i c kt h ep o p u l a t i o n ，t h ed i s e a s ei n c i d e n c er a t e ，b u ta l s oi t sg r o w t hs c o p ew h i c ht a k e st h ef i r s tp l a c eo ft h ew o r l d A l t h o u g he x s i t i n gr e s e a r c ha b o u td u s tp r o d u c t i o nm e c h a n i s ma n dp r o m o t i o no fd u s t s e t t l i n gT e c h n o l o g yh a v ed o n es o m et h i n gt op r e v e n td u s tp o l l u t i o n , b u td u s tp o l l u t i o np r o b l e mh a sn o tb e e nr e s o l v e d S ow h i l ew ea r eu s i n ge x s i t i n gt e c h n o l o g y ，W Oh a v et os t u d yn e wd u s t - s e t t l i n gt e c h n o l o g y D u s t s e t t l i n gw o r kr e l a t e se n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n t ，s a f e t ya n dt h eh e a l t ho ft h ep e o p l e ，t h ee n l i g h t e n e dp r o d u c t i o n ，p r o d u c t i o nc o s tr e d u c t i o n ，a n das m o o t hd e v e l o p m e n tp r o d u c t i o n T h ew o r ki se x t r e m e l ys i g n i f i c a n t T h i sa r t i c l eu s e st h em e a n sw h i c hu n i f i e st h et h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t F i r s t l y ，w em a k er e s e a r c ht Ot h es p r a y e ra t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ，t w op h a s e c u r r e n t sh y d r o m e c h a n i c st h e o r y ，t h ea t o m i z a t i o nm o d e l ，t h ed e s i g nb a s i s ，t h ed u s t s e t t l i n gp r i n c i p l e ，a n dd u s tr e m o v a le f f i c i e n c yi n f l u e n c ef a c t o r S e c o n d l y ，i nt h i sa r t i c l e ，o nt h eb a s i so f t h ep a s tr e s e a r c h ，w eu s e dt h eb a s i ct h e o r yo fj e tp u m pa n dv e n t u r i t u b et od e s i g ns e v e r a le x p e r i m e n t1 1 1江苏大学硕士擘住论文m o d e l sw i t hd i f f e r e n ti n s i d es t r u c t u r ed a t a ，t h e nw eu s e dt h er e s e a r c hm e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o nw i t ht h em o d e lt os t u d yt h es e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r Ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa f f e c tt h ee f f e c t i v er a n g e ，j e ta n g e l ，S M D ( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ) a n di n h a l e da i rq u a n t i t y W ef o u n dt h eb e s ts t r u c t u r ep a r a m e t e r st oh a v eh i g h e re f f e c t i v er a n g e , l a r g e r j e ta n g l e ，l o w e rS M D ，i n h a J e da i rq u a n t i t yw i t ht h es a m eh y d r a u l i cq u a n t i t y T h e nw ec o n d u c t e dt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n tt os t u d ys p r a y e r T h r o u 曲t h eo r t h o g o n a lt a b l ee x p e r i m e n t ，w ef o u n dt h a tw h e nh y d r a u l i cp r e s s u r ei s13M P a ，t h ed i f f u s ea n g l ei s3 0 。，a n dt h ed i s t a n c eo fl a r y n xm o u t hi s4 8 r a m ，w eg o tt h eb e s tm a t c h i n go ft h es e l l - i n h a l ea i ra t o m i z a t i o nc i r c u m v o l v es p r a y e r Se f f e c t i v er a n g e j e ta n g l e ，i n h a l e da i rq u a n t i t ya n dt h ee f f e c to fl o w e rS M Dw i t ht h es a m eh y d r a u l i cq u a n t i t yT h r o u g he x p e r i m e n to ft h ep r e s s u r ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ea t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t ，t h ea t o m i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c st e s tf i t t i n ga n dt h es u r v e ya b o u ta t o m i z a t i o n f i e l dw o r ks i t e ，w eo b t a i n e dt h es p r a y e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s W em a d es o m ec o n t r a s te x p e r i m e n t a t i o nw i t hn o r m a ls p r a y e ra n ds e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r ，f o re x a m p l e ，e x p e r i m e n ta b o u ta i rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n ts p r a y e ro u t l e ts e c t i o n ，o v e r a l la n da n dt h es t a g ed u s t s e t t l i n ge f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c ec o n t r a s t W ef o u n dt h a ta i rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fs e l f - i n h a l ea i r江苏大学硕士擘位论文c i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e ri se v e n e rt h a ni n c e r ec o n es p r a y e ra ts 锄n l es p r a y e ro u t l e ts e c t i o n ；o v e r a l ld u s t s e t t l i n ge f f i c i e n c yo ft h et W Os p r a y e ri ss i m i l a r ，b u tb r e a t hd u s t s e t t l i n ge f f i c i e n c yo fs e l f - i n h a l ei sb e t t e r A l s ow ef o u n dS M Do fs e l f - i n h a l ev a l u ei sl o w e r ，a n di t se f f e c t i v er a n g e ，j e ta n g l ei sm o r eo rl e s s t h er e s e a r c hh a si t sm e a n i n g A tl a s t ，w eu s ef l u e n ts o f t w a r et od on u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ha b o u tf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n ，m e a nS M Do ft h ed r o p l e ta tt h es a m es p r a y e ro u t l e ts e c t i o n ，a n dd r o p l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fn o r m a ls p r a y e ra n ds e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r W ef o u n dt h a tm e a nS M Do fs e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e ri sl o w e rt h a nn o r m a ls p r a y e ra tt h es a n q es p r a y e ro u t l e ts e c t i o n ；d r o p l e tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nw i t ht h es a m eo u t l e ts e c t i o no fs e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e ri se v e n e rt h a ni n c e r ec o n es p r a y e r K E Y W O R D S ：s e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r ，f l u e n ts o f t - w a r e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o n ，S M D ，d u s t s e t t l i n ge f f i c i e n c yV独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：葛忘永日期：2 0 0 7 年6 月乡日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。学位论文作者签名：苈名辞、指导教师签名：卫心飞呷年占月y 日2 如7 年月夕E t江苏大学硕士学位论文1 1 国内外的研究状况第一章绪论目前，湿式降尘最广泛的是使用普通喷嘴进行喷雾降尘，然而，由于水压较低，严重地影响喷雾降尘效果，这种方法的总粉尘降尘效率仅为5 0 6 0 ，对呼吸尘的降尘效率只有2 0 3 0 I 。为提高降尘效果，国内外相关学者研究了声波雾化喷雾、磁水喷雾、预荷电喷雾、泡沫除尘、高压喷雾及压气喷雾等。声波雾化降尘技术，磁化水降尘技术，预荷电喷雾降尘技术，泡沫降尘技术和高压喷雾降尘技术等应用于降尘，可使其作业处的总粉尘和呼吸性粉尘得到有效沉降。声波雾化降尘技术是利用声波凝聚、空气雾化的原理，从提高尘粒与尘粒、雾粒与尘粒的凝聚效率以及雾化程度来提高呼吸性粉尘的降尘效率。产生声能的声波发生器是该项技术的关键。该项技术所研制的声波雾化喷嘴具有普通压气雾化喷嘴的特点，雾化效果好，耗水量低，雾粒密度大。同时，产生的高频高能声波可以使已经雾化的雾粒二次雾化、减小雾粒直径，提高雾粒与尘粒的凝并效果。然而，声波雾化喷嘴产生的声波频率在可听范围内，声压级高，嗓音较大，此外，雾粒变小易受环境风流影响，寿命也短。磁化水降尘技术是改善的喷雾降尘法，是降低呼吸性粉尘的另一条技术途径。它是用物理的方法改变水的性质，使水的雾化能力增大，是一种简单有效的方法。水是抗磁性物质，当对水施加一种外磁场时，水就要产生一个附加磁场，其方向与外磁场方向相反，由于外磁场与分子力的相互作用，削弱了分子问的内聚力，改变了水分子的氢键联系，迫使水的粘性下降从而改变水的表面张力1 2 j ，同时水中存在的杂质在流经磁场时也要被磁化。其中含电解质的离子磁化后产生附加磁场的方向与外磁场方向相同，而非电解质的分子产生的附加磁场的方向与外磁场方向相反，这些磁力的相互作用最终促使水分子的内聚力下降，粘滞力减弱，改变了水的晶构，水滴变细变小，从而不同程度地改变了水的基本结构成为磁化水。由于粘度、表面张力降低。吸附、溶解能力增强，致使雾化程度得到提江苏大学硕士学位论文高，可以提高捕捉粉尘的机率。从实际降尘效果来看对总粉尘的降尘效率比清水提高1 4 7 ，对呼吸性粉尘降尘率比清水提高1 4 。预荷电高效喷雾降尘技术：对现场粉尘状况调查发现悬浮粉尘大多带有电荷，于是提出了如何利用这一现象来降低呼吸性粉尘的思路，如果让水雾带有极性相反的电荷，就可以使雾粒和尘粒之间产生较强的静电引力，从而提高水雾对粉尘的捕获效果1 3 】。为此开展了预荷电水雾降尘机理和实用技术的研究。基础研究的结果表明，荷电水雾具有对微细粉尘的静电力吸引作用，其表面张力下降，与之接触的粉尘更易于附在水滴上，同时喷雾后粉尘表面湿润，增强了亲水性，粉尘与水滴及粉尘之间更易于粘合到一起，液滴捕集到粉尘后凝聚成较大的颗粒并沉降1 4 】。荷电喷雾对呼吸粉尘的降尘效率是水雾荷质比的提高而线性上升的，最高达到7 5 7 ，实现这一日的的关键是能研制出耗水量小、雾化效果好，雾粒密度大而且水雾能够荷上足够多的电荷的电介喷嘴。泡沫除尘是一种新型的除尘技术，如美国，前苏联、西德及东欧等国家为提高呼吸性粉尘的降尘效率，从七十年代起开始集中研究湿润剂和泡沫除尘剂。泡沫除尘剂是利用表面剂的特点，使泡沫剂和水一起按一定比例混合，通过发泡剂产生大量高倍数泡沫喷洒到尘源或含尘空气中，形成大量的泡沫粒子群，其总体积和总面积很大，从而大大增加雾液与尘粒助接触面和相互接触，提高水雾的降尘效果。声、磁、电降尘法的研究正不断取得发展，但离推广还有一段距离。近年来，高压喷雾降生技术已在国外的许多煤矿中使用，我国只有极少数矿井开始使用，降尘效果也十分显著。降尘率高的原因是水雾粒与尘粒的凝结效率高。在低压喷雾时，水雾粒是通过惯性碰撞，拦截捕尘，凝集，布朗扩散的综合作用来降尘的，而采用高压喷雾不但有低压喷雾时的四种机理作用，还使水雾带有较高的正负电电荷，因而显著提高了单颗水雾粒对微细粉尘的捕集效率，因此显著提高呼吸性和总尘的沉降率1 5 1 。用高压水流作为介质，通过参数的调节，可将其携带的高能量水用于水滴的破碎，从而得到优良的雾化结果。目前，在喷雾降尘基础研究方面，雾滴参数如雾滴速度、密度、粒度对具有不同尺度与运动参数的降尘效果缺乏成熟的认识。目前初步的共识是雾滴密度大、雾滴直径与粉尘粒径相近、雾滴速度高时降尘效果显著，然而我们目前尚没2江苏大学硕士学位论文有大幅度提高雾化程度的装置以获得理想的呼吸性粉尘降尘效果。喷雾泵供水压力低是我们防尘中普遍存在的问题，喷雾泵出口水压一般为5 5 M P a ，到达喷雾点时水压多数一般为1 2 M P a ，降尘效果受到很大的影响。尽管输送高压喷雾的水会产生密封、安全等问题，但设法提高喷雾水压是基本趋势。但现在关于自吸空气式旋转喷雾器的研究，相关报导很少，有关引射流内部结构( 不同的喉嘴距、喉管长、扩散角和水压) 对降尘效果的影响方面还没有研究，也未见相关报导。1 2 研究的目的和意义多年来，由于作业环境不良和粉尘危害严重，尘肺每年给国家造成高达近百亿元的直接经济损失。我国的尘肺危害无论在患病人数、发病率，还是增长幅度都居世界首位。在某些工矿企业中，粉尘超标现象十分严重，例如，有的水泥厂粉尘超标2 0 0 0 多倍f 6 】，煤炭行业，采煤工作面的粉尘浓度一直大大超过作业标准，严重影响作业工人的健康，如采煤工作面在采煤截割时实测的原始粉尘浓度高达5 0 0 0 6 0 0 0 m g m 3 ，最高可达8 0 0 0 1 0 0 0 0 m g m 3 ，严重污染着工作环境。工人长期处于高浓度的粉尘作业场所，易患上职业尘肺病。据近两年的不完全统计，现有尘肺病人约1 7 万，死亡人数每年约2 5 0 0 人，新增尘肺病人约4 5 0 0 人，每年国家用于该项的医疗等费用高达3 5 亿元人民币。另外粉尘浓度高，易引起粉尘爆炸，在煤矿行业，煤尘爆炸事故发生多次，伤亡惨重，由此可见，粉尘严重地威胁着工人的生命和安全，给国家的财产和煤矿的生产造成严重的损失。工矿企业中的粉尘问题是一个非常严重的问题，在人们日益追求环境质量的今天，人们对环保的要求越来越高了。虽然人们通过对产尘的机理的研究以及降尘技术的推广对粉尘的防治起到了一定的作用，但粉尘的问题根本未得到解决，因此在生产的过程中把运用新技术、新设备、新方法与生产管理水平联系起来，在采用现有技术的同时，还必须不断研究新的降尘技术。做好降尘工作是关系到改善环境、保护人民生命安全与健康、文明生产、降低生产成本、顺利发展生产的一项重要工作，具有十分重要的意义。3江苏大学硕士学位论文1 3 本文的主要研究工作本文先对自吸空气式旋转喷雾器的理论研究，包括雾化机理，两相流流体力学理论、雾化模型、设计依据、捕尘机理、影响降尘效率的因素，以及喷雾器的理论设计。喷雾器的设计参照射流泵和文丘里管的一些设计理论，收缩角采用射流泵的设计参数，喉管长和直径的比例采用文丘里的一些设计参数，喉嘴距和扩散角分别采用三个数据。然后对喷雾器进行了实验室实验，包括正交表实验、压力流量特性的拟合、雾化特性实验、喷雾场附近温度，相对湿度及空气密度的测量、出口断面风速分布、喷雾器降尘总效率和分级效率实验性能比较试验。实验数据的处理采用多指标正交试验表、一元线性回归分析以及层次分析方法。最后用f l u e n t 对常规喷嘴和自吸空气式雾化喷雾器的各自不同截面处的S M D 值，液滴速度分布的进行数值模拟研究。4江苏大学硕士学位论文第二章自吸空气式旋转喷雾器理论研究2 1 自吸空气式旋转喷雾器的雾化机理自吸空气式旋转喷雾器也称为文丘里管喷雾器，其作用原理跟射流泵相似，它利用有压水做喷射流体作为吸气动力的，其雾化原理随具体的雾化器结构( 吸气通道扩散管、喉管、入风口渐缩管三个部分) 的不同有一定的区别。按自吸式喷雾器液气两相流动过程可以分为三个( 见图2 - 1 ) ：液气相对运动，液滴运动以及气泡沫流运动段川，每个运动过程对应着不同的雾化机理。2 1 1 一次雾化机理在液体射流与气体相对运动段，水在进入喉管之前，由在中心位置的喷嘴高速连续喷出，在喷嘴出口处由于射流边晃层的紊动扩散作用，与周围被吸流体发生动量交换，同时，水射流由于受外界扰动的影响，在离喷嘴不太远的一段距离后，产生脉动和表面波，当振幅大于射流半径时，它被剪切分散形成液滴发生一次雾化跚9 】。如将喷雾划分为浓喷雾段和稀薄喷雾段，如图2 2 所示。在浓喷雾段中，存一个没有空气卷入的连续的液核，即使射流速度非常高，液核部分还是存在的【1 0 l 。液核的前进速度恒等于射流初速。而液核的长度，亦称“碎裂长度”，在喷射压力大于2 0 1 H P a 时，也还有约l O 3 0 m m l l l l 。根据空气动力干扰说，假定水的雾化只发生在液一气交界面上，雾化由不稳定波幅增长和进一步破碎过程所控制0 2 1 。L a m b 用流体力学线性不稳定性分析得出以下结果：江苏大学硕士学位论文水图2 1 自吸空气式雾化喷雾器流态F i g2 - 1F l u i ds t a t eo f s e l f - i n h a l ea i rd r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r液一气分界面波的振幅：A = 4 图2 - 2 液体喷射形态1 1 3 lF i g2 - 2S h a p eo f l i q u i dS p o u t i n g波的角频率：w ：p p o U f - u , , + c k 一三丝五：2,oc,o式中一一波的振幅，m，一时间。，k 一波数，k = 2 ，r , J , ，r nc 一波数，c = ( 町。k i p ) 0 5 ，坍五一波长。m，u 一分别为空气和水的速度，m s岛，p ，一空气和水的密度，k g m 3，一液体的粘度，N S m 2 或者只0 56( 2 - 1 )( 2 - 2 )江苏大擘硕士擘位论文q 一液体的表面张力，N mW 一波的角频率，也p 一为常数，0 3当小扰动波得波长小于某一临界值五时，w 为负值t 波幅迅速衰减；而当A 五时，w 为正值，波幅迅速增大。以由下式给出n 钔：撙石篇严为一常数，其值约为0 3 1 埘。( 2 - 3 )当波长大子五时，波幅迅速增长而形成细长的驼峰，如图2 - 3 所示由于空气的剪切作用，驼峰继而断裂为直径与波长为同一数量级的初始液滴。可令初始水滴直径D = G 彳，G 由实验确定。旦一二一肉笈滴I | | | ；图2 - 3 一次雾化机理简圈4 IF i g2 - 3D i a g r a mo f t h ef i r s ta t o m i z a t i o nf i l e c h a n i s mX C -X圈2 4 与入的关系I IF i 9 2 - 4R e l a t i o n sb e M e a n d 入取一系列的五 五( i = l ，2 ，3 ，) ，由式( 2 2 ) 求得一系列的嵋。 ，与五有大致如图2 4 所示的关系。可知存在某一个知，此时- 最大。即存在某一特定波长，波长接近该值时，波的波幅增长要快于远离该值的波。对应地存在一特定的初始粒径，粒径与该值接近的初始液滴越多，反之则少。液滴与气流的相对速度较高，上述特定波长值就越小，因而越容易形成小的液滴。因此，图2 4 代表了喷雾中粒径分布。一次雾化后水滴的S M D 近似按下式计算：江苏大学硕士学位论文w I ( e ) S M D = 等一= q( c j ) 2f t l2 1 2 二次雾化机理n ( z ) 五3 烈n ( 五) 五2 d 2在液滴运动段，被吸空气流体进入喉管以后，流速达到最高，气压降到最低，在吸气通道后部造成低压区。这样在负压作用下，吸气通道后端附近的空气通过入风口渐缩段流到喉管部分，从而使得被卷吸进来的空气进一步破碎水滴，并与喷雾水滴混合在一起一起从扩散管喷出，从而达到二次雾化。在泡沫流运动段，在扩散管段，气体被液滴粉碎成微小气泡，液滴聚合为液体，气体则分散在液体中成为泡沫流，随着通过扩散管混合液的动能转换为压能，压力升高，气体被进一步压缩。在喷雾器扩散管出口处，高速的液气泡沫流与周围静止的空气相碰撞，又进行了一次雾化。一次雾化后的水滴离开液一气交界面时，具有与液核相同的速度，即等于初速。一次雾化后的水滴是否继续破碎，取决于其韦伯数W e 。若W e 大于某一临界韦伯数W e c ，则水滴继续破碎，否则不破碎。大水滴破碎成小水滴后，直径减小，速度变慢。小水滴是否继续破碎，可用耽来判断。引入表征粘性效应的昂色格( O h n e s o r g e ) 数o n 、韦伯数w e 、水滴完全破碎的时间T 1 1 5 】：O n = q q r - 万：o - ：o D , ( 2 5 )W e = 岛。皿A u s 2 盯，( 2 6 )丁= 珥万n ,( 2 7 )式中口一某一初始液滴的直径，D f = c l 五= c 10 1 26 f 疋，当D f 取成这种形式时，有D I = 1 2 6 D ，一。巧一液滴的体积，杉= 2 v , 一。f 一水滴的破碎时间，sy 一空气与水的密度之比，：鱼8江苏大学硕士学位论文A u , 一水滴D 与空气的相对速度，m s盯，一液体的表面张力( 册)临界韦伯数耽c 和完全破碎时间T 由下式决定15 1 ：W e c = 1 2 ( 1 + 1 0 7 7 0 t I6 1( 2 - 8 )r = O 4 5 ( i + 1 2 0 n 埘1( 2 - 9 )液滴破碎后形成的小液滴的数目、大小和速度可能各不相同，要准确描述很困难的，采用“链式破碎法”，即一个液滴破碎时形成两个大小和速度相同的液滴，并由液滴开始破碎变形时的速度珥和从变形到破碎所经历的时间，计算出破碎时刻的速度，发生一级破碎以后，水滴的皿一。的速度由下式给出【1 6 】：再1 一击2 q 。( 2 - l o )式中珥一一次雾化后生成的水滴的D j 的初速，可取为液核速度乞= 9 3 W p ；y o W q )( 2 1 1 )v 口一空气的运动粘度，N , S m 2t 一为水滴的破碎时间，由式( 2 7 ) 、( 2 9 ) 可以得出，求得= o 4 5 ( 1 + 1 2 0 , “) 口丽，她。( 2 1 2 )一级破碎后的水滴的直径口一。、速度“，一，都已知了，它是否发生二次破碎，取决于韦伯数W e 是否大于该条件下的临界韦伯数W e c ，可再由( 2 - 5 ) ( 2 - 9 ) 来判断。如果发生了二级破碎，则二次破碎后的水滴的直径皿一2 = 三k 1 2 6 = 口1 2 6 2 ，体积一：= 形一i 2 = I 2 2 ，二级破碎后的速度札2 由式( 2 一1 0 ) 决定。9江苏大学硕士学位论文现假设发生了n 级破碎，则最后的液滴径皿一。= D 1 2 6 “，体积。= 巧2 ”，则水滴的数量为口数量的2 ”倍。把它加进一次雾化后的l _ 。的数量中去，就可以得到二次雾化后B 一。的总数量。而一次雾化后生成的液滴口已不复存在了。对一次雾化后生成的每个液滴进行上似的分析，最后求得二次雾化后的液滴粒径分布和G M D 。上述分析方法从大家比较认同的液一气界面上的表面波得不稳定增加导致了水雾化的理论出发，提出了一次雾化和二次雾化的假设，方法简捷，有一定的启发的意义。不足之处是只考虑了液滴的分裂，没有考虑水滴的聚合，也没有考虑蒸发，这是需要改进的地方。2 2 两相流体力学基本理论2 2 1 气液两相流模型基本参数气液两相流在喷雾器内的流型随喷雾器安装的形式( 竖直，水平，斜向) 不同而不同，受含气量变化的影响，同时受混合流体流速的影响。总体上将其分为如下流型。I 、泡状流：气相分散成无数小气泡均匀地掺混在液相中流动。2 、团状流( 段塞流) ：气相流量增大，气相泡沫聚合成大气泡，形成液相与气相的段塞状。3 环状流：液相以液膜形式在喷雾器内壁流动，气相和液滴在管中流动。4 液滴流：液相以液滴形式分散于气相中流动。液气两相流动中还有以上两种流型间的转变形态。例如：泡一团状流，团一环状流，液滴一环状流等。在数学模型中，气液两相流采用下列参数：，：麟比x = 寿( 2 1 3 )含气率( 孔隙比) ：a 一辜2 i j 三砸l( 2 1 4 )Xp l“1气相平均流速：k = 争= 口( 2 - 1 5 )江苏大学硕士学位论文液相平均流速：u Q ，_ i i ，( 1 一口)混合体平蹴如叫弋= 学滑移速度比：詹= 兰u t2 ( - 1 - f _ x * l 兰- 。a - 旦p g a体积流量比：2g Q + g Q5 i 豆1xp l其中，珞气、液流速，m sg ，q 气、液质量流量，k g s展，届气液相密度，k g m 3Q ，g 气液相体积流量，m 3 sf ，一总过流面积及气相过流面积，m 22 2 2 两相流模型( 2 1 6 )( 2 - 1 7 )( 2 1 8 )( 2 - 1 9 )根据一定假设做出不同模型对两相流进行简化。假设不同，对实际流体流动描述的侧重点不同。一般模型有均匀流模型：模型求解简单，对于流速较高或两相介质均匀混合的情况( 如泡状流) 具有较好的计算精度，回避了两相介质之间的相互作用。分离流模型：是一种比较完善的两相流数学棋型：它对气相和液相分别给出质量，动量和能量方程，并考虑气液两相间的动量，能量，质量交换。漂移模型：主要描述两相之间的相对运动，而不是描述每一相的运动，整体上它具有均匀流模型的特点。各种一维模型的基本方程如下：( 1 ) 均匀流模型液气两相视为具有平均物理特性的单相理想流体，不考虑两相间的相对运动。江苏大学硕士擘位论支混合后的连续方程：昙( 岛力+ 兰( 岛乃) = o( 2 2 0 )混合后的动量方程：言( 成丘) + 鲁( 成“2 3 =考一一( 2 - 2 1 ) - fg p f s i n 0r S2 - 2 1混合后的动量方程：兰( 成丘) + 兰( 成“2=壬一一扰院混合后的能量方程：誓一i o w ：形昙( + 丢+ 毁) ( 2 - 2 2 ) 0盘磁2 Z一式中：以= 呶+ ( 1 一a ) p ，p 流体平均压力，口管轴线与水平方向夹角，S 管壁面积，f 边壁切应力，管断面面积，w 为功，矿质量流率，垂直方向上的坐标，哆乏管道每单位长度的传热量，z 沿管轴坐标。( 2 ) 分离流模型两相平行流动，由于存在相间速度差，列出了六个方程分别表示两相的质量、动量及能量守恒关系。连续方程：昙( & 够厂) + 昙 & 础力= V( 气相)( 2 _ 2 3 昙( 1 一o O f + # L o t ( 1 一a ) u J = - I 丁( 液相)( 2 2 4 )o “式中F 为相问质量传递比，即单位长度，单位体积内气体产生率。动量方程：昙魄哆+ 毫魄哆，D = 可老一g 岛盯豳口一碱一锅+ ，( 气相) ( 2 - 2 5 )善胁( 1 一毋t 刀+ 石坼叫2 力= q 一馥璧一g , q a f f m O 一弱+ 绢+ I _ 耖( 液相) ( 2 - 2 f i )式中，分别为界面剪力和周边的面积，用区别气相和液相。靠，最分别为气相与壁面的剪力和周边面，q ，S 分别为液相与壁面的剪力和周长。能量守恒方程：( 以混合流体的形式写t t l )罢魄 ) ，+ 月( 1 一砒专加毫唿缎舟( 1 一咖门= 秘+ 矿( 2 - 2 7 式中：s N 磐壁N N ，g 体积热通量产生率，q w 为管壁传递热量，P 为比能，任一相的比能为咯= + 圭坼2 + g z s i n 口，矗为相应焓a( 3 ) 漂移诵嚣模犁1 2江苏大学硕士擘位论文其实质是分离流动模型的种，它要去考虑速度及密度剖面分布的影响，用参数反应为c o ，它取决于径恕含气率分布与过流断恧上的平均流率。质量守恒方程式：詈【( 1 一口) 岛+ 。殁】+ 昙【( 1 一口) 岛畸+ a 豫k 】= o ( 2 - 2 8 )动量守恒公式：罟c 枷+ 乏= _ ，老一硝如p 一去长警咖z 9 )式中：竺型兰学，表示平均流速。Y a m = U s - - U m , 是气相漂移速度。由方程可以看出它与分离流相似，方程右边说明动量的变化是由压力分量，管壁摩擦分量，重力分量引起的，同时附加气相漂移分量的影响。2 3 喷雾器的捕尘机理自吸空气式旋转喷雾物理过程表现为惰性凝结和静电凝结( 非惰性凝结) 。( 1 ) 惰性凝结惰性凝结主要的捕尘机理主要有以下几种1 1 露：惯性碰撞：主要是捕集大于0 5 1 聊的较粗的粉尘。反应惯性碰撞特性的是惯性系数p ，它与水滴与粉尘的相对速度和水滴的直径有关的。实验证明，妒值越大，水滴与粉尘的碰撞概率越高，除尘效率也就越高的，增大速度，减小水滴的直径是有益的。截获：当质量与惯性均较大的尘粒随气流绕过水滴的时候，若其流线与水滴的表面距离小于粉尘的半径，尘粒就会被水滴截获而粘附于水滴表面。凝集：当空气中的湿度较高的时候，水气往往以尘粒为核心凝集，加大了尘粒的直径和质量，使其碰撞的概率增大，并且由于尘粒已被润湿，即使是憎水性尘粒，也可减少反弹，从而提高了除尘的机率。扩散：粉尘的粒径小于0 2u m 时，扩散运动起主要的作用。上述惰性凝结降尘原理如图2 - 5 所示。江苏大学硕士学位论文+ 流线( ) 粉尘颗粒截水珠颗粒西2 5 精桂凝结降尘机理说明图l l ，lF i 9 2 5I n s t r u c t i o n a ld i a p ，a mo f i n e r t i aC o n g e a l sd u s t - s e t t l i n gm e c h a n i s m( 2 ) 非惰性凝结( 静电凝结)粉尘在产生和运动过程中，由于摩擦、碰撞、电晕放电，接触带电等原因，所以基本上都带定的电荷而高压喷雾的水雾粒由于水雾电荷效应，某些雾粒自然带上了电，粉尘和雾粒带电的本身就提高捕尘的系数，也就提高了降尘的效果。雾粒和粉尘带不周的电荷肘产生吸引力，这吸引力使两微粒凝聚在一起，这力的大小由电荷值，雾粒和粉尘粒度及它们的距离决定。这时粉尘的凝结沉降是积极进行的，其原因是由静电力引起的所以称为静电凝结，也称非惰性凝结，带电的粉尘粒比不带电的粉尘粒容易被凝结。2 4 喷雾器雾化性能指标评价喷雾嚣的性能的指标主要有：雾化细度和粒度的均匀度指数，雾化角，流量特性及流量密度等【1 8 1 。( 1 ) 雾化细度雾化细度表示水滴颗粒大小的指标，一般有平均直径、最大直径和中值直径等。平均直径按平均方法的不同又有不同概念的平均值。雾化细度表征方法最常用的有索达尔直径( S M D ) 和质量中间直径( M M D ) 。所谓质量中间直径是假设直径，即大于这一直径的所有水滴的总质量等于小于这一直径的水滴总质量。历谓索达尔平均直径即体面积平均直径。1 4江苏大学硕士学位论文蚴= 猎式中：碡一液滴群中某种液滴的直径，册( 2 - 3 0 )强一液滴群中直径为Z 的个数s M D 计算方法除了上面的一些方法还有以下的两种计算方法：I 、韦伯数法从热力学的角度分析。确定单个液滴稳定性的最重要的参数是无量纲韦伯数( 用W e 表示) 【1 9 1 1 2 0 1 ，它由液滴和气体的相对速度和气体密度等参数确定，定义为：W e = P o B q 2 ，盯，I ：。2 - 3 1 )式中：口一液滴的直径，c m口，一液体的表面张力，d y n c mq 一液气的相对速度，m s 成一气体的密度，g c m 3水滴是否继续破碎，取决于其韦伯数耽。若辟0 大于某临界韦伯数W e c ，则水滴继续破碎，否则不破碎。根据临界韦伯数可以计算单个液滴的大小。2 、努一塔法液滴在空气中雾化时，液滴的平均直径广泛用努基亚玛一塔那萨公式进行计算1 2 l l 。拈墅A u 彦柳铮”5 c 挚”。弘s 2 ，、i p ，、叩f 。1Q g 式中，A u 一喷嘴处液滴与空气的相对速度，m s 办一液体的密度，g c m 3町一液体的表面张力，d y n c m所一液体的粘性系数，d y n 葛c m纺，皱。分别为液体和气体的体积流量，m y 。d 液滴的直径，所( 2 ) 雾化粒度的均匀性均匀性指数N 表示雾化液滴群中不同液滴大小的接近程度。N 值大，雾化均匀性好：N 值小，则雾化均匀性差，雾化粒度的表征方法如下：1 5江苏大学硕士学位论文根据罗辛一拉姆勒( R o s i n R a m u m b e r ) 分布表达式：R = l P 7 求出，d 、N = l n k c 去咖争s s ，其中R 一直径小于Z 的雾滴累计体积( 质量) 比d 一是与霄相对应的雾滴的直径，m孑一是雾滴的特征直径，研均匀度指数努一塔给出的分布函数形式为吲：p ( 力= A d ”d 一护( 2 3 4 )式中，p ( d ) 是液滴直径在J 和d + d d 之间的概率 、b 是标准化因子，m 、n 一般为整数6 ：L口d 坩( 2 3 5 )彳= 熹( f d e - 胪研1( 2 - 3 6 )( 3 ) 雾化角液体雾化锥边界上两根对应的切线的夹角称是雾化角，雾化角有所谓的出口雾化角和条件雾化角之分，为出口雾化角，或是条件雾化角，如图2 - 6中所示。图2 6 雾化角图1 2 3 JF j 萨一6D ；a g r 踟o f j e ta n g e l1 6江苏大学项士学位论文( 4 ) 流量密度分布所谓流量密度分布特性( 如图2 7 所示) 是指在单位时闻内，通过与液体喷射方向相垂直的单位横截面积上液体的质量流量沿直径方向的分布规律。分布较好的液滴群能分散到整个降尘空间，并能在较小的空气扰动下与空气获得充分的混合。经验表明：流量密度沿径向呈对称的双蜂分布较佳，单位为坛，。箍体图2 7 流量密度分布示意图叫1F j 9 2 - 7S c h a n a t i cd i a g r a mo f c u r r e n lc a p a c i t yd e n s i 臼, d i s t r i b u t i o n( 5 ) 流量特性水压和水量的关系，一般水量随水压的增大而增大，水压对水量的影响非常显著。由后续做的实验表明：水量随压力变化的流量特性对提高降尘效率是很有作用的。( 6 ) 雾滴数密度它是指单位采样体积内含有雾滴的数目，已知雾滴尺寸分布则可以计算出液相浓度。2 5 影响喷雾器降尘效率的因素( 1 ) 雾滴的直径雾滴粒径大，水的分散性差，雾滴数量少，与粉尘碰撞、拦截的概率小，捕尘效果差，但是雾滴粒径过小，在空气中的时间过短。还未与粉尘碰撞就可能气化( 如3 0 m 雾滴在空气中相对湿度8 0 、温度2 0 时仅能存在7 1 s ) 1 2 5 1 。一般认为，粉尘直径越小，最宜液滴直径也越小。有实验资料认为，液滴直径为粉尘江苏大学硕士学位论文直径的5 0 1 5 0 倍为宜：也有研究表明，液滴粒径在1 0 2 0 0 p m 范围内降尘效果较好，最佳降尘粒径为4 0 5 0 9 m 1 2 6 。其中影响雾滴大小的因素主要有l 、水的表面张力：气液表面张力越小，由于表面张力对液滴的稳定作用就越弱，喷雾形成的液滴就越小。2 、液相对速度的影响：在喷嘴处气体和液体的相对速度严重影响喷雾效率。气液相对速度越大，液滴越小，较大的气液相对速度将对液滴产生较大的破碎力，从而使液滴变得更小。3 、液体粘度的影响：液体粘度增加，雾滴尺寸变大。这是因为粘度对液滴有稳定作用，液滴尺寸变大，不利于雾化，粘度越小，阻尼越小，扰动波增长越快，越不稳定，产生的液滴也就越小。4 、液体与气体相对流量的影响：实验表明：气流中液体体积百分数加大，液滴尺寸迅速增大。此外，增加气体的密度和减少喷孔直径和液体的密度都有利于减小液滴的直径的，增加了气体的密度可以使两相之间的相互作用加强，有利于雾化。( 2 ) 雾化粒度及流量密度的均匀性不论用哪类平均直径表示雾化细度，都仅仅是用假想尺寸均一的拉子群代替实际的雾化粒子群，但雾化后实际液滴粒子群中水滴尺寸大小相差悬殊，有时达1 0 倍左右，反分布很不均匀，因此常用均匀性指数N 表示雾化液滴群中不同液滴大小的接近程度。N 值大，雾化均匀性好，喷雾效果越好：N 值小，则雾化均匀性差，喷雾效果越差。瑞典国家研究局芬兰M a r i o f f o y 公司和挪威火灾研究实验室开展了一系列的测试工作表明了流量密度分布越均匀，分布较好的液滴群能分散到整个降尘空间卿f 堋，并能在较小的空气扰动下与空气获得充分的混合，降尘效果越好。( 3 ) 喷雾作用范围喷雾作用范围是指喷出的喷雾体所占的空间，如图2 - 8 所示。它分别用雾体作用长度、有效射程和扩散角表示，扩散角有时也称条件雾化角网。雾体作用长度、有效射程和扩散角越大，喷雾的作用范围越大，降尘效果越大，降尘效果越好。雾体的作用范围见图2 8 ：江苏大学硕士学位论文B 一有效射程；( L + B ) 一雾体作用长度；d 一扩散角图2 8 雾体的作用范围l 州B e f f e c t i v er a n g e ；( L + B ) _ e f f e c t i v e l e n g t h o f F o g b o d y ；a j e ta n g e lF i g2 - 8S p h e r eo f a g t i o no f F o gb o d y( 4 ) 粉尘与液体捕集体的相对速度其相对速度越大，冲击能量越大，碰撞、凝聚效率就越高，同时，有利于克服液体表面张力而被湿润捕获。( 5 ) 水射流压力对增大除尘效率是有效的1 3 I 】较高的压力可使射流破碎成较多、较均匀的雾滴。能使流量增大，雾化后单位体积的空气中的绝对含气量增大，提高了雾滴本身的速度，周围含尘气流也会被卷入雾流形成复杂的端流运动，两者增大了雾滴和粉尘颗粒之问的相对的速度和它们之问的碰撞的几率，同一位置雾滴运动速度、单位体积的雾滴数量越大，雾体作用长度、有效射程和扩散角越大，喷雾质量好。此外，较高的压力可使雾滴带电荷数量增长，尤其是带负电荷的雾滴的数量随压力增大而增多。( 6 ) 喷嘴的形式目前用于降尘的喷雾器的形式较多，产生的雾体的作用长度、有效射程和扩散角不同，其雾滴粒径、雾滴数密度及雾滴分布也不一样，降尘效果不同。( 7 ) 耗水量单位体积的含尘空气耗水量越大，在液滴粒径相同的情况下，液滴数量就多，接触尘粒机会越多，产生碰撞、截留、扩散及凝聚效率越高，降尘效率也越高。( 8 ) 其他喷雾器的安装位置1 3 2 】压力水从喷孔喷出后，随着喷孔距离的增加，雾滴速度、单位体积的雾滴数量及雾滴分布呈衰减的态势，距离越远，雾滴越散，雾滴的运动速度和单位体积的雾滴数量越少，降尘效果越差，但雾体距喷雾出口太近，喷雾作用范围小，雾1 9江苏大学硕士学位论文体作用范围小，因此，喷雾器与产尘距离应根据现场实际确定。一般来说，直接喷f 句产尘点的喷雾降尘的合理距离是1 5 2 5 m 。液滴黏度及粉尘密度液体的黏度越大，液体越不易产生细小颗粒液滴，降尘效果也越差，粉尘密度越大，产生碰撞机率也越高，粉尘越容易沉降，降尘效率高。水质水质主要是指水中的悬浮物含量、悬浮物粒径和p H 值。水质差，悬浮物含量多，悬浮物粒径大，容易造成喷嘴阻塞，降低喷雾作用范围与直径；P H 值太大或者太小将影响作业环境、腐蚀喷嘴。因此，在正常的作业条件下，悬浮物的含量不得超过1 5 0 m g L ，悬浮物粒径不得超过0 3 m ，p H 值应在6 9 之间，否则，应迸行相关水处理，如安装过滤装置、沉淀池等。不同射流形式脉冲射流与连续恒压射流相比，仅管在相同的压力下( 脉冲射流指其峰值压力) 距喷嘴相同距离处射流的平均速度差剐不大，但是由于脉冲射流形成的雾滴的粒径比恒压连续射流小、雾滴数量多，除尘效果得到了很大的改善。粉尘的湿润性湿润性较好的粉尘，亲水粒子很容易通过液体捕集体，碰撞、截留、扩散效率高，湿润性差的粉尘与水接触时，能产生反弹形象，显然其碰撞、扩散效率低、降尘效果低。湿润剂中的亲水基团伸入水中，憎水基团伸向空气中与粉尘接触，改善了水与粉尘之间的湿润性，提高了除尘效率，与清水相比，一般可提高3 6 4 0 ，已经得到了广泛的应用。2 6 本章小结本章首先介绍了自吸空气式雾化喷雾器的二次雾化机理，从雾化机理出发阐述了自吸式喷雾器所具有的优点。其次介绍了自吸式喷雾器相关的两相流体力学理论，给出了水和空气两相流模型中要到的基本参数，给出了一般的两相流模型：均匀流模型、分离流模型、漂移模型要用到的基本方程。最后对喷雾器的捕尘机理、评价喷雾器喷嘴的性能的指标、影响喷雾器降尘效率的因素做了分析，为自吸式喷雾器的降尘理论提供了依据。江苏大季项士学位论文第三章自吸空气式旋转喷雾实验研究3 。1 实验用喷雾器设计3 1 T 喷雾器主体设计喷雾器主体由喷嘴、喉管入口段( 渐缩管) 、喉管、扩散管及吸入室等部件组成( 见图3 一1 ) ，在安装时要保证喷嘴、喉管和扩散管的同心度。其主要部件结构设计如下：喷嘴的选用见3 1 3 节，它是将液体的动能转化成动能。喉管进口段按射流泵设计：作用是使气体平顺进入喉管，收缩半角1 3 = 1 5 。3 0 。喉管长：工作流体与放吸流体的传能与混合过程主要是在喉管内进行的，根据有关的资料当t = ( 0 5 1 O ) d 1 时，喷雾器的吸风量较大。喉管长直接影响到喷雾器降尘效率的高低。喉管采用圆柱形或圆锥形。扩散管：将喷雾器喉管出口处的动能转变为压能，一般采用均匀扩散角d = 3 0 9 、4 5 6 和6 0 。吸入室设计参照射流泵：设计成圆筒状。蛾嚷营扩散管被燃4 3 1渡气射流泵结构示意图nF i g3 一lS t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u i d - g a s j e tp u m p3 1 2 集风器设计在实验室试验中，广泛采用集风器测定风管的流量。与毕托管测速原理不一样，它是根据静压降数值与流量成正比的原理，测量流速和速度的。集风器分为两种，一种是弧形集风器还有种锥形集风器，这里我们采用了4 5 。的锥形集风器渊。集风嚣制作要求严格，加工尺寸和形状按有关标准制定。江苏大学硕士学位论文，。fI夕IL 1 L 己图3 - 2 锥形集风器的结构尺寸图F i g3 - 2S t r u c t u r ed i m e n s i o nd i a g r a mo f C o n e - s h a p ew i n dc o l l e c t i o n设计公式如下：上1 = D ，上2 = D ，n = 4 5 。( 3 1 )其中：D 集风器吸入室直径，n m 厶集气口的长度，栅厶一静压管离吸入室入口断面的距离，咖。一集气日的收缩角，3 1 3 液体工质喷嘴的选择雾化喷嘴性能的好坏，直接影响到喷雾器的降尘效率。在一定降尘效率前提下，装置雾化性能好的喷嘴，能大幅度地降低文丘里管喷雾器的阻力，也可以降低液气比。在一定耗水量前提下，采用雾化性能好的喷嘴，可以提高降尘效率。液体工质的喷嘴按照其工作原理可以分为机械雾化、介质雾化、超声波雾化、静电雾化。机械雾化可分为压力式和旋转式。压力式又分为直射式、简单压力式( 单路离心喷嘴) 、双路压力式( 双路离心式) 、变面积压力式、回油式。旋转式又分为转杯式、转盘式、甩油盘式。介质雾化式可分为低压空气式、中压空气式、高压空气式、蒸汽式以及机械一空气( 蒸汽) 组合式。按照水流形式可分为直流喷嘴和旋转喷嘴。直流喷嘴内外没有使水流旋转的部件，压力水直接通过喷嘴喷出，旋转喷嘴则有。按喷雾体形状分，喷雾器又可分为线束型喷嘴、空心锥体喷嘴、实心锥体暖嘴、扇型喷嘴。喷雾降尘除尘所用的喷嘴主要有以下几种：江苏大学硕士学位论文离心式喷嘴。这类喷嘴是利用水流在喷嘴内作旋转运动，在离心力作用下将水由喷嘴口甩出形成水雾。根据水流旋转运动的形成方式不同，又可分为以下几种：a 、切向入口离心式喷嘴。喷嘴外壳为蜗牛壳状，水从与喷射方向成垂直的切线接入，靠外充的螺旋形将水流的直线运动改变为旋转运动，在离心力作用下，把水分散成细滴。常用形式有角形喷嘴、螺旋型喷嘴等。b 、轴向入口喷嘴。水流由轴向进人喷嘴，轴向入口喷嘴又可分轴向内旋转，轴肉外旋转两种唼嘴，轴向内旋转喷嘴是受喷孔内装螺旋形、涡轮型、X 型等导水芯使得水的直线运动变成旋转运动；轴向外旋转喷嘴是在喷孔外增加外螺旋设施使得压力水旋转，压力水从喷孔喷出后，沿着外螺旋叶片运动，从而使得喷雾水旋转。常用形式有碗形喷嘴、武安一4 型喷嘴。气体雾化型喷嘴。借助压缩空气、蒸汽等的引射，将水带出雾化。它的工作原理是利用高速气流对于液膜产生分裂作用而把液滴拉成细雾。气体雾化型喷嘴分内混合和外混合两种。除了用喷雾雾化水滴外，在湿式除尘器中也采用单纯的机械雾化方法，常见的是将水射向高速旋转的圆盘，水从圆盘上甩出时形成大量水雾。为了获得最小的雾滴直径，本自吸式喷雾器选择了切向入口离心式喷嘴，可以在相同的水压下获得更小的液滴粒径。3 1 4 嚷雾器组成喷雾器组成由喷雾器主体和集风器组成，如图3 3 所示。喷雾器的主体由喷嘴、喉管、吸入室、扩散管、固定支架组成，其中集风器的作用是为了实验中测量吸风量的需要，固定支架作用是使喷嘴能够被定位。江苏大学硕士学位论文一一卜集风器2 一静压管3 - 喷嘴4 一吸入室5 - 喉管6 一固定支架7 一法兰s 一扩散管图3 3自吸空气式旋转喷雾器结构示意图1 - w i n dc o l l e c t i o n2 一S t a t i cp r e s s u r et u b e3 一N o z z 3 e4 - S u c t i o nc h a m b e r5 一T h r o a t6 F i x e ds u p p o r t7 一F l a n g e8 - P r o l i f e r a t i o nt u b eF j 9 3 3S t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo f s e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v va t o m i z a t i o ns p I 可e l 3 1 ，5 喷雾器主要结构参数的确定考虑不应使自吸空气式旋转喷雾器的体积过大，参考前人所推荐的数据及本文研究的需要，确定实验用的自吸空气式旋转喷雾器如图3 - 4 所示：图3 - 4自吸空气式旋转喷雾器尺寸图F i g3 - 4D i m e n s i o ns c h e m a t i cd i a g r a mo f s e l f - i n h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r参照3 1 1 ，3 1 2 节喷雾器主体、集风器设计依据，设计参数如下：4 5 。圆锥形集风器设计参数为：集气口直径D l = 1 4 0 m m ，集气口长度L ，= 3 0 m m ；吸入室直径D z = 8 0 m m ，长度L 2 = l1 5 m m ，为了试验需要，在距离集风器吸入室入口断面3 0 m m 处开2 个静压测量孔。喷雾器主体部分设计参数：喉管直径D 3 = 7 0 m m ，长度L 4 = O 5 D s = 3 5 m m ；渐缩管收缩半角B ：1 8 。；扩散管扩散角a 分别取3 0 * 、4 5 。和6 0 。，对应扩散管长度为5 6 m m 、3 6 r a m 和2 6 m m 。喷嘴采用切向入口离心式喷嘴，直径的d o = 1 5 r a m 。通过改变固定支架的位置，喉嘴距可调节为4 8 r a m 、6 8 r a m 、9 8 m m 三个位置。江苏大学硕士学位论文3 1 6 喷雾器实验装置装配图为了更能看清楚自吸空气式旋转喷雾器的内部结构，图3 - 5 是喷雾器的实验装置装配图，其中1 是喷嘴，2 是支架，3 是集风器，4 是文丘里管。嘶躏l 一喷嘴2 一固定支架3 一集风器4 一文丘里管图3 - 5 喷雾器实验装置装B i l l】一N o z z l e2 - F i x e ds u p p o r t3 - W i n dc o l l e c t i o n4 一V e n t u r i t u b eF i 口一5T e s ti n s t a l l a t i o na s s e m b l yd r a w i n go f t h es p r a y e r3 2 自吸式旋转喷雾器内部结构的优化实验3 2 1 实验方案与实验系统( 1 ) 实验方案采用正交试验设计l 川，对多指标实验结果用直观分析中的综合平衡法进行分析。本次试验中主要分析的影响自吸空气式旋转喷雾器性能的结构参数有3 个因素：喉嘴距、扩散角及水压。在3 个影响性能的因素中，每个因素选取了3 个水平，如表3 一】：表3 - 1因素与水平表T a b l e3 - 1F a c t o r sa n dl e v e l si no r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o n因素A ( 喉嘴距删)B ( 水压_ l P a )c ( 扩散角6 承尹l4 886 0 。26 8l O4 5 。39 81 33 0 。江苏大学硕士学位论文选表本试验有3 个水平，3 个因素，不考虑因素之间的交互作用，则厶( 3 4 ) 是满足要求的最小正交表，故选用正交表厶( 3 4 ) 安排实验。表头设计将各因素分别填写在所选用的正交表的上方与列号对应的位置上，一个因素占有一列，不同因素占有不同的列，未放置因素或交互作用的列称为空白列( 也称为误差列) ，即得到表头。明确试验方案把表中各列的数字“l ”、“2 ”、“3 ”分别看成是该列所填因素在各个试验中的水平数，而正交表的每一行就是一个试验方案，于是得到9 个实验方案。按规定的方案做实验按正交表的各实验号中规定的水平组合进行试验，将实验结果填写在表格的相应位置。在做正交实验方案的时候完成每一号的实验，而且是按照随机的原则不按实验号的顺序完成实验方案上的每个实验号。计算极差，确定因素的主次顺序K ，= 第列上水平号为，的各实验结果之和；- - 9 9 ，其中妫第列上水平号，出现的次数。巧表示第J 列的因素取水平，时，进行试验所得试验结果的平均值；弓= m a x ， K , j - m i n ， 。一称为第列的极差或其所在因素的极差。吩也可定义为吩= m a x ， 习一l I l i n ， 瓦一般来说，各列的极差是不相等的，这说明各因素的水平改变时对实验结果的影响是不相同的。级差越大，说明这个因素的水平改变对实验结果的影响也越大，极差最大的那一列因素就是最主要的因素。有时空白列的极差R ，比所有因素的极差还要大，则说明因素之间可能存在有不可忽略的交互作用，或者忽略了对实验结果有重要影响的其它因素，或者试验误差太大，需要具体分析。最优方案的确定江苏大学硕士学位论文对各指标的分析结果进行综合比较，根据K ，、局，、K 3 ，( 或K ，、t ，、b )或根据因素与指标关系图，确定各因素水平的最佳组合。( 2 ) 实验系统为了得到自吸式喷雾器内部结构的优化模型，建立如图3 - 6 所示的实验系统。该实验系统主要是由高压清洗机、水箱、自吸式喷雾器、温度计、湿度计、送水阀、补偿式微压计、流量计等组成。卜温度计2 一湿度计3 一送水闲4 一压力表5 一流量计6 一固定架7 一集风罩8 一喷嘴9 一喉管l O 一高压清洗机1 1 - 水箱1 2 - 固定支架1 3 - 补偿式微压计臣3 - 6自吸空气式雾化喷雾器试验系统图1 - t h e r m o m e t e r 2 一H y g r o m e t e r3 一I n d u c t i 彻v a l v e4 一P r e s s u r eg a u g e5 - F l o w m e t c r6 B r a c k e tf i x i n g7 一w i n d s a i lC o l l e c t i o n8 一n o z z l e9 - T h r o a t1 0 - H i g h - p r e s s u r e dc l e a r e rll w a t e ra n k1 2 一F i x e ds u p p o r t1 3 一C o m p e n s a t e dM i c m m a n 哪e t e rF i 妇- 6T h es y s t e md i a g r a mo f s o l f - i n , h a l ea i rc i r c u m v o l v ea t o m i z a t i o ns p r a y e r3 。2 2 参数测定有效射程的测量：本试验中有效射程是指水流从喷嘴射出后保持直线喷射而不下落的距离。具体 雯| l 量靠肉眼观察，卷尺测量。喷射角的测量：采用数码相机拍摄，角度量取的方法。空气密度：江苏大学硕士学位论文空气密度计算公式为：舢嘣8 4 焘。一塑笋)( 3 - 2 )式中：P 一空气的压力，P af 一空气的温度，只一温度，时饱和水蒸气的分压，P a妒一相对湿度，用小数表示空气的温度( 干温、湿温) 和相对湿度用干湿球湿度计测量。由P = 1 0 1 3 2 5P a ，查饱和水蒸气表：对应于干温，= 1 8 5 时，只= 2 1 2 9 ，由湿球湿度计上的相对湿度表得：p = O 8 6 。符合现行作业要求( 一般作业环境只要求t 2 6 ，相对湿度 A C ：喷射角A C 1 3 ；S M D 值A 1 3 C ：吸风量A B C 。各因素水平的最优组合如下：对有效射程来说：A 。B 3 C 。；对喷射角G I 来说：屯G ；对S M D 值来说：冉，岛c 2 。对吸风量来说：A ，B 3 G 。采用综合平衡法以确定最优的方案。因素A ：对于有效射程、喷射角、S M D 、吸风量来说都是A 。好，故取A ，。因素B ：对于有效射程来说是最主要的因索，取B 。好，对于喷射角来说，是最次要的因素，取B ：和B 。一样，而对于S M D 和吸风量来说是次要因素，取B 3 比较好，按照多数倾向原则，选择B ，。因素C ：对于有效射程、S M t ) 及吸风量来说是最次要的因素，取C ，和G 一样，对于喷射角来说是次要因素，取C 。好，按照多数倾向原则，取C 。好。根据综合平衡的分析结果，得到的最优方案为：A ，B 3 c 3 。所以当喉嘴距4 8 咖，水压为1 3 M P a ，扩散角为3 0 4 时，有效射程、喷射角、S d D 值、吸风量达到最佳。( 2 ) A H P 模型分析法A H P 模型分析法介绍讨论不考虑交互作用的正交试验的层次分析法模型( A H P ) 及其试验数据统计分析方法 3 5 1 3 6 1 。给定正交试验的因素水平表如表3 3 所示，表中后个因素为一”，彳( ”，一；每个因素的水平分别为一l ，疗2 。表3 - 3 因素水平表T a b l e ，IF a c t o r sa n dl e v e l si nt h eo n h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o n因素水平彳1 )彳1 2 )彳)1矿A 伸)2彳2 m爿2 ( 封彳2 似n厶m4 2 2 气m建立正交试验的A H P 摸型对实验数据进行统计分析，如图3 8 所示：江苏大学硕士学住论文团团困圈团团图3 - 8 正交试验A H P 模型F i g3 - 8A n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm o d e lo f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t】、因素A 的极差为冠( i = 1 ，2 ，m ) 称为因素A 。对实验的影响效应称为因素对实验的影响矩阵。C =局R 2R 。_ ，_ _Z R , R ，震，# lJ 1 1I = 1( 3 - 5 )I I 、计算试验的效应矩阵因素彳的第水平下的试验数据之和为K 。，称为因素A m 的第，水平对试验的影响效应( j = 1 ，2 ，k ；_ ，2 1 ，2 ，) 若指标越大越好，则令肘F = K ，否则= I l K ，。记兰茎查兰堡主兰堡堡墨彳=000000M 2 0鸩2 00 心2 0OO一0O-00r l ，0s ：iof 2k jH -式中o = 芝M ，J = 1 ，2 ，3 l = lM I肘2 肘m l，纠( 3 6 )( 3 - 7 )A 右乘矩阵s ，即对A 的每一列进行归一化。由层次分析法得各因素水平对指标的影响权重大小c a = A S C 7( 3 8 )缈为( 啊+ n 2 + + 硌) 1 向量，依次表示因素水平：4 ，4 n ，4 ，4 ，4 ，4 ，对试验的影响大小。用A H P 计算I 、计算因素喉嘴距、水压、扩散角的影响权重矩阵：这里辨2 3C = ( 0 1 6 4 ，0 4 7 1 ，0 3 6 5 )l I 、计算水平层试验影响效应矩阵：江苏大学硕士学位论文A =0 1 9 7 8O 1 3 9 2O 1 4 0 2OOOOOOOOOO 0 9 0 4O 1 2 8 30 2 5 8 5OOOOOOOOOO 1 0 9 7O 1 2 7 60 2 3 9 8s = p 敕曼。彳S =O 1 9 7 8O 1 3 9 20 1 4 0 2OOOOOOOOO0 0 9 0 4O 1 2 8 30 2 5 8 5OOOOOOOOOO 1 0 9 7O 1 2 7 60 2 3 9 8f 2 0 9 6o01l02 0 9 60 | =loo2 0 9 6 J、计算各因素水平对指标影响的权重= A S C l =0 4 1 5O 2 9 20 2 9 4OOOOO00 0 6 8 10 0 4 7 9O 0 4 8 20 0 8 9 50 1 2 6 70 2 5 5 30 0 8 4O 0 9 8O 1 8 4O 4 1 5O 2 9 20 2 9 40OOOOO因素A ( 喉嘴距) 三个水平对指标影响权重最大的是属= O 0 6 8 1 ，因素B ( 水压) 三个水平中影响最大的权重是岛= 0 2 5 5 3 ，因素C ( 扩散角) 三个水平对指oooooo 狮螂(OOooo 胂瑚mooo( OO=、ITJ41 ，676，43nOO，oooooo 狮弼( OOooo船抛睾：oooO 班c ；江苏大学硕士学位论文标影响最大的是G = O 1 8 4 ，故试验的最优条件是4 马C 3 ，与传统的直观分析法得到的结果致。因此，为了使有效射程、喷射角、S M O 、吸风量达到最优，根据直观分析法和正交实验层次分析法的分析结果，选用方案4 马G 。3 3 自吸式喷雾与常规喷雾特性的比较实验喷雾器的雾化质量主要与雾滴的尺寸( 雾化细度) 及其分布( 雾化均匀度) 有关系的。本节先是拟合了自吸式喷雾器的压力流量特性，然后做了自吸式喷雾与常规喷雾雾体分布实验。3 3 1 实验系统为了在实验室测定自吸式喷雾与常规喷雾特性，建立如图3 - 9 所示的实验系统。该实验系统主要是由激光器、发射镜头、接收镜头、计算机、高压气瓶、精密压力表等组成。卜高压气瓶2 一减压阀3 一高压水罐4 - 阀门5 前密压力表6 一阀门7 姑密压力表8 一激光器9 一发射镜头1 0 - 试验喷嘴1 卜排气管道l2 一接收镜头13 一计算机图3 - 9 三维P D P A , 系统装置布置示意图I 印1 H i g I I p r e s s u r eb o t t l e2 P r e s s u r er e l i e f v a l v e3 一H i g h - p r e s s u r e dw a t e r i n gC a l l4 V a l v e5 - V e r n i e rg a u g e6 - V a l v e7 V e r n i e rg a u g e8 一L a s e r9 L a u n c h i n gL e n s l O - E x p e r i m e n tn o z z l e1 l - E x h a u s tp i p e l i n e1 2 - R e c e i v e i n gl e n s1 3 一C o m p u t e rF i 9 3 9S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h r e ed i m e n s i o n a lP D P As y s t e mi n s t a l l m e n ta r r a n g e m e n t江苏大学硕士学住论文3 3 2 参数测定与实验步骤( 1 ) 参数测定喷嘴水压：高压清洗机的表头读出水量：用量筒测量某一时间内收集到的水的体积，除以所用时间液滴速度和S M D ：激光相位多普勒分析仪P D P A采样流量：用1 5 4 0 L m i n 的转子流量计计时：秒表自吸式喷雾器出口断面风速分布：K B 4 0 9 6 型数字风速仪在喷雾器吸入端选取6 个截面，轴向( z 轴) 距离为2 0 0 啪，2 8 0 m 、3 6 0 m n ，4 4 0 n ，5 2 0 m m ，6 0 0 n ，竖直方向( y 方) 测量6 点，测点之间间距为2 5m m ，测量结果如图3 一1 0 ，3 - I l 所示。荡1趟蚓厘暴O2 5 7 51 0 01 2 5径向距离( m m 2径向距离( m m )图3 1 0 自吸式出口研面风速分布图图3 - 1 1 常规喷嘴断面风速分布图F i g3 - 1 0A i rv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nF i g3 - 11A i rv e l o c 时d i s t r i b u t i o na to u t l e ts e c t i o n ( s e l f - i n h a l e )a to u t l e ts e c t i o n ( n o r m a l )从图中看出自吸式喷雾器出口风速在轴线上最大，离喷雾器出口越远，轴向风速就越小，自吸式出口风速分布比较平缓，常规喷嘴则比较陡，可知自吸式风速分布均匀度要好于常规喷嘴，单位面积上参加雾化的空气多，空气和雾滴混合，碰撞、截留、拦截几率越多，降尘效率好I 瑚。( 2 ) 实验步骤将喷嘴水平固定在支架上，坐标原点为喷嘴出口中心，Y 轴为竖直方向，x 轴为水平方向，z 轴为轴向方向( 喷雾方向) 。O o765ilO一m一毯篱匠辱江苏大学硕士学位论文自动位移机构在轴向方向移动6 点，测量喷雾器下游截面轴向( z 轴) 距离为2 0 0 聊，2 8 0 , 蕊，3 6 0 r l H l l ，4 4 0 m , 5 2 0 m ，6 0 0 册, 1 3M P a 压力下各截面中心处雾滴S I - I I ) 及轴向速度沿轴向分布。自动位移机构精确在轴向方向移动6 点，调整喷嘴水压1 3M P a ，测定各截面边缘处雾滴S 如及速度沿轴向分布。自动位移机构精确在竖直方向( y 方) 动6 点，调整喷嘴水压1 3M P a ，测定Z = 6 0 0 n n 截面上，S N ) 及轴向速度沿径向分布。调整喷嘴豹水压，测定当压力分别为0 5 聪P a ，1 0M P 8 ，1 5 辫P 8 时，截面中心处雾滴S l I D 沿轴向的变化。调整喷嘴的水压，测量喷嘴不同压力下水量和水压。3 3 3 自吸式赜雾水压和水量关系的实验结果与曲线自吸式喷雾水压和水量关系的实验所得结果如表3 - 4 所示：表3 - 4 承压和水量关系水压( 肝a )345681 01 3测量时阅( s )6 0 95 2 54 3 24 ，3 14 2 23 2 22 4 7体积( m 1 )3 6 53 7 03 6 03 9 04 8 03 8 03 4 5水量( , n l s )5 9 9 3 4 3 27 0 4 7 6 1 98 3 3 3 3 3 39 0 4 8 7 2 41 1 3 7 4 4 11 1 8 0 1 2 41 3 9 ，6 7 6 下面是用非线性回归拟合的办法对自吸式喷雾嚣的水压和水量的关系来进行拟合。( 1 ) 第二类非线性回归方程的求解。由散点图3 - 1 2 可以看出7 个数据点近似为指数函数y = 痧( 其中a 、b 为待定系数) l n y = l n 口+ 皇江苏大学硕士学住论文儡占鬟*35791 1水压( 肝a )图3 1 2 水量水压关系散点图F i 9 3 1 2S c a H e rd i a g r a mo fr e l a t i o n sb e t w e e nb e t w e e nH y d r a u l i cp r e s s u r ea n dh y d r a u l i cq u a n t i t y1令材= l n y ，a o = l n a ，v = 二则= + b y ，整理得数据表3 - 5 。工表3 - 5 数据表T a b l e3 5D a t as h e e tBo 3 3 3 3 3 3o - 2 5O 20 1 6 6 6 6 7O 1 2 5O 10 0 7 6 9 2 3z 4 0 9 3 2 4 94 2 5 5 2 7 54 4 2 2 8 4 94 5 0 5 2 0 94 6 5 8 2 3 94 7 7 0 7 94 9 3 9 3 2 6这里n = 7坼= 1 2 5 2Z v , 2 = O 2 7 2 9由最小二乘法的公式可得占：拿：_Zv,u,-7-面：烹5503-7x01788x4521：-31939o 2 7 2 9 7 ( O i 7 8 8 ) 2a o = - - b y = 4 5 1 2 - 0 1 7 8 8 x ( 一3 1 9 3 9 ) = 5 0 9 2= 5 0 9 2 + f - 3 1 9 3 9 ) v口= e 1 = 1 6 2 73 1 9 3 9Y = 1 6 2 7 e 。( 2 ) 回归效果显著性的检验( f 检验法)取O r = 0 0 52534=i坼= r 。l 一7珥=一甜江苏大学硕士学位论文，：。! 呈：一1 1 3 1 3J1 、f 高“一6 乞)i 号( 疗一2 ) 。 _ o m s ( 5 ) = 2 5 7 0 6I7 l i 一三( ”一2 )线性回归效采显著。利用回归分析得到调整后的水乐与水量的关系校T F 曲线见。图3 1 3 。o5簦*水压( 醌)图3 1 3 水压水量校正曲线图F i 9 3 1 3A d j u s t m e n tC U I V C Sd i a g r a mf o rH y d r a u l i cp r e s s u r ea n dh y d r a u l i cq u a n t i t y3 3 4 自吸式赜雾与常规赜雾雾体分雍的实验结果及分析用激光相位多普勒分析仪P D P A 对喷雾器出口的液滴速度和S M D 分布进行测量，实验结果如图3 - 1 4 、3 - 1 5 所示。图3 - 1 4C a ) 是1 3 M P a 压力下各截面中心处雾滴S M D 及轴向速度沿轴向分布，( b ) 是1 3 M P a 压力下各截面边缘雾滴5 M D 及轴向速度沿轴向分布，( c ) 是Z ：6 0 0 m 处截面上雾滴的S I d D 及速度沿径向分布，( d )不周压力下截面中心处雾滴鲫D 沿轴向的变化。图3 一】5 是d = 4 4 0 n n 处截面平均雾滴粒径频谱分布。盼盼O江苏大学硕士学位论文1 2 01 呈碰篓4 0排2 002 0 0 a 2 8 0 U3 6 0 r a m 4 4 0 u5 2 0 m m 6 0 0 u截面的位置( m m )2 52 0 g1 5 三1 0 篓5 姜O( a ) 1 3M P a 压力下各截面中心处雾滴S i f t ) 及轴向速度沿轴向分布( a ) V e l o c i t ya n dS I v l Dd i s t r i b u t i o ni nzd i r e c t i o na td i f f e r e n tc e n t e ro f o u t l e ts e c t i o nU n d e r1 3M P ap r e s s u r e2 0 0 a m 2 8 0 M m 3 6 0 R 4 4 0 m m 5 2 0 m m 6 0 0 n m截面的距离( r a m )2 衢21 9 5 暮：，9 蔷三穗1 7 距1 ( b ) 1 3t i P a 压力下各截面边缘雾滴S M I ) 及速度沿轴向分布( b ) V e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dS M Dd i s t r i b u t i o ni nzd i r e c t i o na td i f f e r e n te d g eo f o u t l e ts e c t i o nU n d e r1 3l V l P ap r e s s u r e翌船幻0一E3一-毋嘲嚣椿江苏大学硕士学位论文昌j鬈涮j 舞拣搿撰I 靠0 0 m 2 0 u 4 0 u 6 0 H8 0 l 径向距离栅)F 碉I 垫囱重鏖l( c ) Z = 6 0 0 m 处截面上S 肋及速度沿径向分布( c ) V e l o c i t ya n dS M Dd i s t r i b u t i o ni nYd i r e c t i o na tt h eo u t l e ts e c t i o n ( Z = 6 0 0 m m )截面的位置( m )5 碉l 一哪aIl ! ! 塑! l( d ) 不同压力下截面中心处雾滴S l I D 沿轴向的变化( d ) V e l o e i t ya n dS M Dd i s t r i b u t i o ni nzd i r e c t i o na td i f f e r e n tc e n t e ro f o u t t e ts e c t i o nU n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s图3 1 4 喷雾器出口下游截面液滴速度的分布及S S I ) 催iF i g3 - 1 4D r o p l e tv e l o c i t ya n dS M Dd i s t r i b u t i o na to u t l e ts e c t i o n由图3 1 4 ( a ) 和( b ) 可以看出：1 3 M P a 压力下，随着喷射距离的增大，截面中心和边缘处的雾滴的S M D 值增大，轴向速度下降。这是由于雾滴在与空气动力相互作用中，发生弹性碰撞聚合的几率大于雾滴二次分裂的机率1 3 研，故雾滴的尺寸随喷射距离的增大而增大。3 - 1 4 ( a ) 中各截面中心处雾滴轴向速度服从正常的射流衰减规律，故呈线性下降的关系。由于液滴在飞行的过程中各截面边缘雾滴的4 l江苏大学硕士学位论文轴向速度会转换为径向速度【3 9 1 ，故3 1 4 ( b ) 中轴向速度呈降序下降，但随距离的加大，其径向扩散速度也大幅度的减弱。由3 1 4 ( c ) 可以看出：从截面的边缘到中心，S M D 值减小，轴向速度缓慢变大。这是因为雾滴在飞行的过程中，受到了空气动力的作用，碰撞聚合的机率远小于分裂的机率，放雾滴的直径不断减小，在中心处达到最小值，同时雾滴在向前飞行的能力自轴心到边缘迅速减弱，这符合射流的普遍的规律0 4 0 】【4 n 。由3 1 4 ( d ) 可以看出，相对于同一位置处，随着水压的增加，自吸式喷雾器喷出的水滴平均雾滴直径有了明显的变小。( a ) 自吸式( b ) 常规喷嘴( a ) s e l f - i n h a l e ( b ) n o r m a l图3 1 5d = 4 4 0 m m 处截面平均雾滴粒径频谱分布F i 9 3 - 1 5M e a nS M DF r e q u e n c ys p e c t r u md i s t r i b u t i o na to u t l e ts n c t i o n ( d = 4 4 0 n u n )一，d 、根据罗辛一拉姆勒( R o s i n R a m u m b e r ) 分布表达式i 足= l e i 求出刮1 1 衄去) h ( 罟) ，得到图3 - 1 6 ，图中虚线表示自吸式，实线表示常规喷嘴。由图可以看出自吸式喷雾器不但S M D 小而且雾滴分布均匀度也好。江苏大学硕士学位论文口它勺D l a m图3 1 6 喷雾器对比频谱分布图F i 9 3 1 6F r e q u e n c ys p e c t r u md i s t r i b u t i o nc o m p a r i s o nd i a g r a mo f t l l et w os l 哪r s3 4 自吸式喷雾与常规喷雾性能和降尘效果的比较实验3 4 1 实验系统为了在实验室测定喷雾器与常规喷雾性能和降尘效率，根据作业场所空气中粉尘测定方法【4 2 】，建立如图3 一1 7 所示的实验系统。该实验系统主要是由高压清洗机、水箱、自吸式喷雾器、送水阀、大气粉尘采样仪、粉尘发尘器落地风扇等组成的。1 1几 j1 2 3队1 一高压涛洗机2 一水箱3 一送水阀4 - - z 一力表5 一流量计6 一固定袈7 一集风罩8 一喷嘴9 一喉管1 0 一固定支架n 一大气粉尘采样仪1 2 嘞尘发尘器1 3 一落地风扇图3 一1 7 喷雾器性能和降尘效率实验系统图l H i g h - p r c s s u r e dc l e a r e r2 - w a t e rt a n k3 - I n d u c t i o nv a l v e4 P r e s s u r eg a u g e5 一F l o w m e t e r 6 - B r a c k e tf i x i n g7 - w i n d s a i lC o l l e c t i o n8 - n o z z l e9 - T h r o a tl O - F i x e ds u p p o r t1 l a t m o s p h e r i cd u s ts a m p l i n gm e t e rl2 一d u s tp r o d u c t i o nI n s t r u m e n tl3 v e n t i l a t o rF i 9 3 1 7T h es y s t e me x p e r i m e n td i a g r a mo fa t o m i z a t i o n江苏大学硕士学位论文p e r f o r m a n c ea n df a l l i n gd u s t s e t t l i n ge f f e c i e n c y粉尘产生与调节装置是采用国产畅达2 1 8 0 A 粉尘发尘器，此仪器主要有控制单元、喷粉枪、粉桶、硫化床、文丘里泵、移动支架小车、电源线粉管气管若干等。为了保证实验粉尘发生的连续性，发尘浓度的均匀性和检测结果的可靠性，以及根据实验要求便于对粉尘浓度的实时调节，可以通过交接出粉调节功能调节喷枪出粉量大小，通过调节雾化调节钮调节喷枪出粉浓度的大小。在本实验过程中发现要保持粉尘浓度发尘的稳定性和均匀性，一是要选择粒径比较小的微粒( 选用镇江谏壁发电厂袋式除尘器除下的粉尘作为实验粉尘) ，二是要在发尘的过程中轻轻晃动耪桶。3 4 2 参数测定与实验步骤( 1 ) 参数的测定：滤膜的重量：精度为0 1 i n g 的F C 2 0 4 型电子天平采样时间：秒表粒径分布：激光粒度仪有效射程的测量：卷尺测量喷射角的测量；用数码相机拍摄，角度量取的方法2 ) 喷雾降尘效果实验步骤如下：滤膜的准备：用镊子取下滤膜两面的夹衬纸，置于天平上称量，记录初始质量，然后将滤膜装入滤膜夹，确认滤膜无褶皱或裂隙后，放入带编号的样品盒里备用。采样器的架设：取出准备好的滤膜夹，装入采样头中拧紧，采样时，滤膜的受尘面应嬗向含尘气流。测量没有接尘之前滤膜的重量m ，。将大气粉尘采样仪( 采样流量为O 9 0 5 m 3 h ) 放置在发尘器前，采样五分钟后，然后将滤膜放在干燥器中干燥一个小时，测量重量m 2 。测量两个滤膜的质量喷雾前后的增重A m 2 m 2 一m I 。算出粉尘的浓度：c t = 专云 l o o o ( ，)( 3 9 )U x l，I4 4江苏大学硕士学位论文式中m 一采样前的滤膜质量，m gH 耵一采样后的滤膜质量，m gt 一采样时间。r a i nQ 一采样流量，L m i n喷雾器和常规喷嘴工作十分钟后1 4 3 1 ，可用台扇或落地扇代替供风，低速直吹发尘器出来的粉尘，喷雾方向与粉尘运动方向垂直，大气采样仪放在供风下侧，按上述测定方法计算粉尘的浓度c z ( 聍，) -分别计算喷雾器和常规喷嘴的总降尘效率：宰= c , 万- G X100(3-10)用激光粒度仪做了粉尘的分散度试验，粉尘的分散度有两种表示方法，一种是以颗粒的粒数表示所占有的比例时，称为粒数分布，以颗粒的质量表示所占有的比例时，称为质量分布，我们这里测量的是质量分布。分级效率又分为质量分级效率和浓度分级效率两种，这里采用浓度分级效率，计算公式【1 2 1 如下：钆：Q , g a , Q - Q 2 9 d , Gx 1 0 0 ( 3 1 1 )”Q i g a , c l由于Q l = Q 2 ，上式简化为协：竖粤墨x l o o ( 3 - 1 2 )占正L 1式中踢，Q 一喷雾前和喷雾后风量，m 3 m i n鼠，9 4 , 一分别为某一粒径范围内喷雾前和喷雾后粉尘的质量分数，c l ，G 一分别为喷雾前和喷雾后的含尘浓度，咖3对于 5 聊的呼吸性粉尘的微粒的降尘效率也可以( 3 1 2 ) 计算，这时乳，g a ,分别为喷雾前和喷雾后粉尘颗粒群中 5 , u r n 的质量分数。( 3 ) 喷雾性能实验：调整喷嘴的压力】3M P a 分别测量单喷雾器和自吸式喷雾器的喷射角、有效射程、S M D 值。4 5江苏大学硕士学位论文3 4 3 喷雾性能实验结果及分析在喷水量及压力相同前提下，分别测量自吸式和常规喷嘴的喷射角、有效射程、S M D 值，表3 - 6 为自吸式与常规喷嘴的性能比较实验的结果。袭3 - 6 自吸式与常规喷嘴的性能比较表T a b t e 3 - 6P e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt a b l eb e t w e e ns e l f - i n h a l ea n dn o r m a ls p r a y e r喷雾器水压( U l a )喷射角( 。)有效射程( m )酬D 值自吸式1 34 0 。2 5 81 0 8 5常规喷嘴1 33 9 。2 6 21 2 0 6从表中可以看出：所设计的自吸式喷雾器在和常规喷嘴水压一定的情况下，喷射角和有效射程相差不大，但S M D 值下降很多。3 4 4 降尘效果实验结果及分析自吸式和常规喷嘴的降尘总效率和分级效率实验结果如表3 - 7 3 一l o 所示。自吸式喷雾器表3 7自吸式总除尘效率的测定结果T a b l e 3 - 7O v e r a l ld u s t s e t t l i n ge f f i c i e n c yo f s e l f - i n h a l es p r a y e r试验次数喷雾前c ；喷雾后G宰l1 8 6 90 0 2 6 20 9 8 622 4 4 4O 0 2 2 00 9 9 131 5 3 70 0 1 6 90 9 8 9平均值1 9 50 0 2 1 70 9 8 9表3 - 8 自吸式分级效率的测定结果T a b l e 3 8S t a g ed u s t - s e u l i n ge f f i c i e n c yo f s e l f - i n h a l es p r a y e r粉尘的粒径d l g m 2 0质量分数喷雾前0 2 322 0 12 5 84 6 25 6 7( )喷雾后1 66 22 9 14 0 82 0 22 1分级效率( )9 2 39 6 69 8 ，49 8 39 9 59 9 6江苏大学硕士学位论文单实心锥体喷嘴表3 - 9 常规喷嘴总粉尘除尘效率的测定结果T a b l e 3 - 9O v e r a l ld u s t - s e u l i n ge f f i c i e n c yo f n o r m a ls p r a y e r试验次数喷雾前C ，喷雾后已辜l1 8 6 90 0 4 10 9 7 822 4 4 4O 0 4 50 9 8 231 5 3 70 0 2 80 9 8 2平均值1 9 50 0 3 8O 9 8 l表3 1 0 常规喷嘴分级效率的测定结果T a b l e 3 - 1 0S t a g ed u s t - s e t t l i n ge f f i c i e n c yo f n o r m a ls p r a y e r粉尘的粒径d u m 2 0质量喷雾前O 2 322 0 12 5 84 6 25 6 7分数喷雾后1 2 64 2 93 8 63 22 10 6( )分级效率( )3 97 69 7 99 9 9 59 9 99 9 9由表3 7 ，3 - 9 可以看到通过自吸式喷雾器总粉尘平均降尘效率为9 8 9 ，常规喷嘴的总粉尘平均除尘效率为9 8 1 。对表3 - 8 ，3 - 1 0 中的数据进行整理得出，对于5l lm 以下的粉尘，自吸式喷雾器除尘效率为9 8 2 ，常规喷嘴的除尘效率是9 6 1 。由此可见，自吸式和常规喷嘴的总除尘效率差不多，而对于呼吸性粉尘自吸式喷雾器降尘效果更好。江苏大学硕士学位论文3 5 本章小节本章对喷雾器进行了实验研究。本章先是介绍了实验系统的组成和试验用的测量仪器，介绍了相关实验的方法，并对实验结果进行了处理和研究，得到以下结论：( 1 ) 当喉嘴距4 8 r n m ，水压为1 3 M P a ，扩散角为3 0 4 时，有效射程、喷射角、一3 1 9 3 9S M D 值、吸风量达到最佳。( 2 ) 水压与水量满足关系：Y = 1 6 2 7 e ，。( 3 ) 1 3M P a压力下，随着喷射距离的增大，中心和边缘处的S M D 值增大，轴向速度下降。在Z = 6 0 0 m 处截面上，从轴心向边缘，S M D 值增大，轴向速度缓慢减小。自吸式喷雾器比常规喷嘴雾滴的分布均匀度好。( 4 ) 自吸式和常规喷嘴的总除尘效率差不多，而对于呼吸性粉尘自吸式喷雾器降尘效果更好。( 5 ) 实验现场温度为1 8 5 1 2( 干温1 8 5 ，湿温1 7 ) ，相对湿度0 8 6 ，符合现场作业要求。( 6 ) 在同一位置处自吸式与常规喷嘴喷雾器相比，其空气速度分布较均匀。4 8江苏大学硕士学住论文第四章自吸式旋转喷雾与常规喷雾的C F D 数值模拟4 1C F D 基本理论近十多年来，C F D 有了很大的发展，替代了经典流体力学的一些近似计算法和图解法，过去的一些典型的教学试验，如R e y n o l d 实验，现在完全借助C F D 手段在计算机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现在的问题，几乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。C F D 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程等领域发挥作甩1 4 叼。4 1 1 控制方程由于目前求解N S 方程目前尚不可能，所以只得求解简化的N S 方程。喷雾两相流计算所采用的控制方程主要有以下几种：( 1 ) 无粘流计算的E u l e r 方程：假设流体无粘性，对于大雷诺数、流动无分离、无射流及旋涡等间断面的问题有效。( 2 ) 抛物化的N - S 方程( P N S ) ：忽略主流方向的粘性导数项的定常的N - S 方程。它可考虑横向及垂直方向压力梯度，能自动模拟边界层内的粘性流动与无粘流的干扰。( 3 ) 雷诺时均方程即R e y n o l d s 时均的N - S 方程，用于喷雾两相流模拟。该方程需要用湍流模型来封闭才能求解。( 4 ) 边界层近似方程：对于高R e 数流动，由于在物体壁面附近存在着一层很薄的边界层，而在边界层外粘性作用小得多，可作无粘流动处理，这样可用边界层近似来考虑粘性作用。目前还没有普遍适用的湍流模型，计算中所采用的湍流模型主要有零方程模型、一方程模型和两方程模型1 4 5 ) 。江苏大学硕士学位论文4 1 2 边界条件为确定控制方程的解还需给出定解条件。对于非定常问题，定解条件包括起始条件和边界条件，而对于定常问题，并不需要初始条件。流场计算所需要的边界条件主要有：( 1 ) 进口边界：一般要求给出喷雾器的集风器和喷嘴进口的速度、压力、密度或相应的相容条件。( 2 ) 出口边界：一般取充分发展条件或由上游的速度推算而得。( 3 ) 固壁边界：对于考虑粘性的控制方程，固壁上流体质点满足无滑移条件，即令壁面速度_ ，= 0 。( 4 ) 周期性条件：常同于热传导计算。4 1 3 离散方法离散方法有边界元、有限差分、有限元、有限体积法( 有人把它归于有限差分法) 等I 蝴。有限差分法在流体力学计算中应用最多、最广，也最成熟。各种各样的差分格式及其收敛性、稳定性分析出现在多种计算流体力学书中；边界元法由于输入数据少，计算时间短，也为人们所重视，它主要用于无粘流计算；有限元法所采用的三角形网格话应性很大，还由于有限元法程序模块化，从而也在离心泵内流场计算中得到了应用。网格生成技术是近些年来计算流休力学与计算传热学中很活跃的领域，是今后一个发展方向，有不少闯题需作进一步研究。目前网格生成主要以微分方程法为主，其它如代数法、区域扩充法、阶梯形法、三角网格生成法、不同坐标组合法等。4 1 4 计算方法主要有如下的几种计算方法：( 1 ) 奇点法( 面元法) ：在不考虑稚性的倩况下，流体为有势流，叶片对流动的作用就用奇点( 涡、源、汇) 代替，这样就产生了奇点法。( 2 ) 流线曲率法( 准正交线法，流线迭代法) ：它是从假想的近似流线出发，利用正交线上常微分方程的求解而得到流动量的新迭代值，再应用流量等反插而得到新的流线位置和流动物理量，迭代收敛至给定精度为止。江苏大学硕士学位论文( 3 ) 准正交面法：它把三个坐标( ，口，：) 方向上的偏微分方程组简化为一个未知函数的常微分方程式。( 4 ) 压力修正法：这是目前求解不可压缩流动应用最广泛的一种方法，历史也较长。( 5 ) 分区计算方法：一般情况下叶轮内流边界层很薄，粘性的影响主要在这个区域，可以采用边界层的计算方法。( 6 ) 分步法：做法是将动量方程人为地分解为散度自由部分和旋度自由部分。由于散度自由部分要通过求解压力泊松方程得到，所以要花相当多的时间，近年来该方法也得到了改进。C 7 ) 拟可压缩法；将求解椭圆型方程的N - S 方程双曲线化，很精确、成熟，效率也高，为此人们就通过数学处理把椭圆型方程转变成型，从而可以使用时间推进法求解。( 8 ) 分块隐式法：基本思想是将流动在整个区域上解褪，重点考虑每个控制体上的速度与压力的耦合，整个流动的数值求解通过对全流场的逐点扫描计算来实现。4 1 5 代数求解方法由于控制方程离散后所得的代数方程多是带状稀疏矩阵，在选择代数方程的求解方法时，应当考虑到系数矩阵的这些特点及所求解问题的类型。代数方程的解法可以分为直接解法及迭代法两种。直接解法对计算机提出了高要求，而且由于控制方程多是非线性方程，所以迭代解法常为首选方法。人们在实践中逐步采用了各种代数方程的迭代法，如点迭代、6 a u s s - S e i d e l 迭代、逐次超松弛迭代逐次亚松弛迭代，块迭代、交替方向隐式法( A D I ) 、强隐式( s I P ) 迭代法等。4 1 6 数据处理这有赖于计算机图形学的发展，使得各种曲线益面的拟合，等值线、等值面的绘制，以及空间曲面的图象显示给计算、模拟展示出生动活泼的景象。江苏大学硕士擘住论文4 2f I u e n t 软件简介C F D 的应用与计算机技术的发展密切相关。C F D 软件最早予2 0 世纪7 0 年代诞生在美国，但真正得到较广泛的应用是近几年的事。C F I ) 软件现成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具，成功应用于水利、航运、环境、食品、流体机械与流体工程等各种技术科现在已完全可以借助C E D 模拟来准确获【4 7 I 。F L U E N T 是用于计算流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格：三维的四面体、六面体及混合网格。F L U E N T 还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。4 2 1f I u e n t 的软件主要技术特点( I ) F L U E N T 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体等网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用混合型非结构网格。( 2 ) F L U E N T 是用C 语言写的，可实现动态内存分配及高效数据结构，具有很人的灵活性与很强的处理能力。此外，F L U E N T 使用C 1i e n t l 5 e r v e r 结构，它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。( 3 ) F L U E N T 可让用户定义多种边界条件，如流动入E l 及出口边界条件、壁面边界条件等。可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。( 4 ) 在F L U E N T 中，解的计算与显示可以通过交互式的用户接口来完成。用户接口是通过S c h e m e 语言写的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化接口。用户还可使用基于C 语言的用户自定义函数功能对F L U E N T 进行扩展。( 5 ) F L U E N T 公司除了F L U E N T 外，还有一些专用的软件包，除了上面提到的基于有限元法的C F D 软件F I D A P 外，还有专门用于粘弹性和聚物流动模拟的江苏大擘硕士学位论文P O L Y F L O W ，专门用于电子热分析的I C E P A K ，专门用于分析搅拌混合的M I X S I M ，专门用于通风计算的A I R P A I C 等。4 2 2f I u e n t 的软件功能简介F L U E N T 程序软件包由以下几个部分组成：( 1 ) G A M B I T 用于建立几何结构和网格的生成。( 2 ) F L U E N 卜用于进行流动模拟计算的求解器。( 3 ) p r e P D F 一用于模拟P D F 燃烧过程。( 4 ) T G r i d 一用于从现有的边界网格生成体网格。( 5 )F i l t e r s ( T r a n s l a t o r s ) 一转换其它程序生成的网格，用于F L U E N T 计算。可以接口的程序包括：A N S Y S ，I - D E A S ，N A S T R A N ，P A T R A N 等。瓦面lP D F 查表l11JG 惦I T设置几何形状生成2 D 或3 D 网格几何形状或网格2 D 或3 D 网格F l 】廊盯网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理边界网格网格一其它软件包，如C A D ，C A E 等边界和( 或)体网格T G r i d2 D 三角网格3 D 四面体网格2 D 和3 D 混合网格图4 - IF L U E N T 计算流程1 萤1 4 s lF i 9 4 1C o m p u t a t i o nt l o wc h a r to f F L U E N T利用F L U E N T 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如上图所示。首先利用G A M B I T 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于F L U E N T 求解器计算的格式。然后利用F L U E N T 求解器对流动区域进行求解计算。并进行计算结果的后处理。4 。2 3f I u e n t 的软件分析的主要步骤用F L U E N T 软件进行求解的步骤如下：江苏大学硕士学位论文( 1 ) 确定几何形状，生成计算网格( 用G A M B I T ，也可以读入其它指定程序生成的网格) 。( 2 ) 输入并检查网格。( 3 ) 选择求解器( 2 0 或3 D 等) 。( 4 ) 选择求解的方程：层流或湍流( 或无粘流) ，化学组分或化学反应，传热模型等。确定其它需要的棋型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型1 4 8 1 。( 5 ) 确定流体的材料物性。( 6 ) 确定边界类型及其边界条件。( 7 ) 条件计算控制参数。( 8 ) 流场初始化。( 9 ) 求解计算。( 1 0 ) 保存结果，进行后处理等。4 。3F Iu e n t 提供的两相流模型计算方程4 3 1 气液两相模型瞬时方程组飙伟流动璺燮物理守恒趸律明夏配，基卒明哥但是，俸包于占：厌量寸但定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分( 组元) 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力一项。控制方程( g o v e r n i n ge q u a t i o n s ) 是这些守恒定律的数学描述【4 9 】。连续方程：挲+ 三( ，) = 0( 4 1 )O t饼动量施掣+ 掣一考+ 矗+ sz ，西缸，鼠缸缸，能量守恒施掣0 7 + 掣o x = 去c 扣品阻s ，暇咖C 组分质量守恒擒掣+ 掣：毒卜掣卜饼掰珊I僚1江苏大学硕士学位论文4 3 2 时均控制方程组及k - 方程( 1 ) 时均控制方程组雷诺平均是把N a v i e r - S t o k e s 方程中的瞬时变量分解成平均量和脉动量两部分。对于速度，有：甜= 甜，+ ( 4 - 5 )其中，和甜：分别是平均速度和脉动速度( i = l ，2 ，3 )对于压力等其它标量妒= 妒+ 7( 4 6 )其中，表示标量，如压力、能量、组分浓度等。连续与动量方程可写成以下的张量形式：警+ ( 剐= o7 )旦绁+掣：一熹+暑(等一雨+置(4-8)Ot瓠J瓠融J 、瓠J ? 。l上面两个方程称为雷诺平均的N a v i e r S t o k e s ( R A N S ) 方程，它们和瞬时N a v i e r S t o k e s 方程有相同的形式。( 2 ) l F 方程标准k F 模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。标准k F 模型的湍动能k 和耗散率F 方程为如下形式：警+ 掣= 靴+ 期卦吣一9 ，p 尝+ 旦字：毒 ( + 等) 考 + c c q + c ，。q 卜t 。户等+ 置c n 一，。，江苏大学硕士学位论文q 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，G 是用于浮力影响引起的湍动能产生；可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。湍流粘性系数以= 孵了k 2 ，墨和是用户定义的源项。在F L U E N T 软件中，作为默认值常数，C i 。= 1 4 4 ，c 2 ；2 1 9 2 ，巳= 0 0 9 ，湍动能k 与耗散率的湍流普朗特数分别为吒= 1 0 ，仃。= 1 3 。4 3 3 数值计算的通用方程形式为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序( 例如f l u e n t ) 对各控制方程进行求解。四个基本的控制方程( 4 1 ) 、下通用形式：掣4 - a i 1 , ( o u O ：d i v ( F g r a d O ) + SO t展开的形式为；( 4 - 2 ) 、( 4 - 3 ) 和( 4 - 4 ) 都可以表示成以( 4 - 1 1 )粤婴+ 塑譬+ 亟掣+ 鱼譬：昙( r 多+ 晏( r 譬) + 昙( r 荸+ S ( 4 - 1 2 )a&却勿盘、& 7 咖、务。岔岔7式中，为通用变量，可代表U 、v 、w 、T 等变量；r 为广义扩散系数；S 为广义源项。式( 4 1 1 ) 中各项依次为瞬态项( t r a n s i e n tt e r m ) 、对流项( c o n v e c t i v et e r m ) 、扩散项( d i f f u s i v et e r m ) 和源项( s o u r c et e r m ) 。对于特定的方程，妒、r 和s 具有特定的形式，下表4 1 给出了三个符号与各特定方程的对应关系。江苏大学硕士学位论文表4 1 通用控制方程中各符号的具体的形式l 蜘T a b l e 4 一lC o n c r e t ef o r mo f v a r i o u sm a r k si ng e n e r a lg o v e r n i n ge q u a t i o n符号妒rS方程连续方程】O0动量方程珥一旦+ s a J 。量能量方程T-s ，C组分方程巳Ds p墨4 4 数值模拟计算过程下面是对自吸式喷雾器外部流场的数值模拟过程。( 1 ) 几何模型的建立本文主要是研究自吸空气式雾化喷雾器与常规喷嘴内外部流场分布。首先在A u t o c a d 中创建自吸式和常规喷嘴几何模型，见图4 2 ，然后输出为A C I S 的s a t文件。( a ) 二维自吸空气式雾化喷雾器几何模型图( a ) T w o - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o l d ed i a g r a mo f s e l f - i n h a l es p r a y e r江苏大学硕士学位论文( b ) 二维常规喷嘴几何模型图( b ) T w o - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o l d ed i a g r a mo f n o r m a ls p r a y e r图4 - 2C A D 中创建的喷雾器轮廓线F i g o 一2C o m o u rl i n eo f s p r a y e r c r e a t e di nC A D( 2 ) 网格的划分将C A D 中创建的图形读入g a m b i t 文件。采用f l u e n t 5 6 求解器，对水和空气所存在的计算域采用s u b m a p q u a d 网格类型1 5 0 ，喷雾器内部区域网格点为1 0 0个，喷雾器外部区域的网格点1 6 0 0 个。图4 - 3 是自吸式和常规喷嘴的离散网格图。( a ) 自吸式( a ) s e l f - i n h a l e( b ) 常规( b ) n o r m a l图4 - 3 喷雾器的离散网格图F i 9 4 - 3S e g r e g a t e d 舒dd i a g r a mo f s p r a y e r( 3 ) 运行过程中的一些设置求解器及计算模型的设置：选择分离式隐式求解器，二维计算区域，稳态定常流动，然后再选择多相流混合模型( m i x e r ) ，设置水为第一相，空气为第二相。设置湍流模型为k 一的湍流模型。流体材料及物理性质的设定见表4 2 ：江苏大学硕士学位论文表4 22 种流体的物性参数( 2 0 I z )密度比热导热系数粘度物质分子量( k g m s )( J k g )( W k g k )( P a s )水9 9 8 21 84 1 8 3 X 1 0 30 ，5 9 8 51 0 0 4 1 l f f 3空气1 2 2 52 91 0 0 5 1 0 3O 0 2 5 9 11 8 1 X l 旷边界条件：水入口采用速度入口边界条件，v = 1 7 7 8 m s 。空气入口采用质量入口边界条件，q 。= 8 3 0 7 ( m s ) x 1 2 2 5 ( 姆I m 3 ) = 1 0 1 7 6 ( 船s ) 。出口：采用压力出口边界条件，P = 1 0 1 3 2 5 P a 。在水入口的地方检查第二相的体积比例( 空气) ，设置V o l u m eF r a c t i o n 为0 ，空气入口的地方检查第二相的体积比例，设置为1 。求解参数的设置：设置压力的亚松弛因子为0 2 ，密度为1 ，体力为1 ，动量为0 7 。压力离散方法选择标准化离散方法。压力和速度耦合离散方法采取s i m p l e算法。动量，体积分数，湍动能，耗散相离散方法都采用默认的一阶迎风格式。设置残差监视器中的连续性方程收敛依据为0 1 。4 5 数值模拟结果及分祈4 ，5 ，1 常规喷嘴、自吸式流场分布模拟结果对自吸式和常规喷嘴流场分布进行数值模拟。如图4 - 4 ，4 - 5 为自吸式和常规喷嘴的数值模拟结果。图4 - 4 常规喷嘴流场等值线圈F i 9 4 - 4F l o wf i e l dI s o g r a mo f n o r m a ls p r a y e r图4 - 5 自吸空气式雾化喷雾器喷雾流场分布等值线图F i 9 4 - 5F l o wf i e l dI s o g r a mo f s e l f - i n h a l es p r a y e r从图d - d 与图4 - 5 喷雾流场分布等值线图可以看出，喷嘴出口速度最高，由于射流边界层的紊动扩散作用，水与周围被吸流体( 空气) 发生动量交换，混合流体的速度变小，到了喉管后，混合流体的速度又变大( 混合流体的静压转化了动压) 。此外，集风器外有明显的流场分布，说明水确实卷吸了空气。两种喷嘴出口断面的流速分布有明显的不同，同一截面处自吸式的流线比常规喷嘴的要密，说明自吸式液滴速度分布要比常规喷嘴的均匀。4 ，5 2 雾滴粒径和液滴速度分布结果多普勒激光相位分析仪P D A 原理是利用四束激光在喷雾场中相交子一点，而形成一椭圆形的测量体，仪器测量的是某点处的平均S M D 值大小，却无法测量整个平面上的平均S M D 值，而这是衡量喷雾效果的一个重要指标，这里借助F L U E N T流体计算软件模拟平面上的平均s M D 值。F L U E N T 在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；离散相模型可以广泛用于：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等。湍流中颗粒处理的两种模型：应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响S t o c h a s t i cT r a c k i n g ，和运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散C l o u dT r a c k i n g 。本文选择了S t o c h a s t i cT r a c k i n g 模型。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”。本论文采取稳态追踪轨道逐步输出的办法，可以得到某一截面上的平均s m d 值、截面上液漓的速度分布。对自吸式和常规喷嘴分别用此模型进行模拟计算，得到图4 6 ，4 7 ，4 - 8 。江苏大学硕士学位论文( a ) 自吸式d = 4 4 0 wS e l f - i n h a l ed = 4 4 0 m m( b ) 常规d = 4 4 0 n B( b ) N o r m a ld = 4 4 0 m m图4 巧自吸式和常规喷雾器在同一截面处平均S M D 值F i 9 4 - 6M e a nS M Dv a l u eo f s e l f - i n h a l ea n dn o r m a ls p r a y e ra tt h es a l n eo u t l e ts e c t i o n从图4 - 6 ( a ) 、( b ) 可以德出，在离喷嘴出口4 4 0 r a m 处，自吸式和常规喷嘴的截面平均雾滴直径分别为9 0 5 z m 和9 9 u m 。用同样的方法计算离截面出口6 1江苏大学硕士学位论文2 0 0 ，2 8 0 ，3 6 0 r 咖处截面平均S M D 值得到图4 - 7 。由图可以看出：在同一截面处自吸式截面平均S M D 比常规喷嘴小。同时也计算在同一截面( z = 6 0 0 m ) 上水滴轴向速度沿径向的速度分布，得到如图4 8 ( a ) 、( b ) 曲线，为了比较它们的速度分布，作图4 - 8 ( c ) ，图中实线表示自吸式，虚线表示常规喷嘴。从该图可以看出，常规唼嘴的速度梯度要比自吸式的要大，自吸式的速度分布要比常规喷嘴均匀，根据流量密度分布和速度分布之间的关系，自吸式的喷雾流量密度分布比常规喷嘴均匀。EjE2 0 03 0 04 0 05 0 0截面位置( M )图4 7 不同截面上的平均S M I ) 值F i 9 4 - 7M e a nS M Dv M u ea tt h ed i f f e r e n to u t l e ts e c t i o n亡菌曲i V e b 酬呦嘲。”嘲b n 哪区三二二盈( a ) 常规( a ) n o r m a l瞻I m E 三二二盈( b ) 自吸式( b ) s e l f - i n h a l e粥驰睨豁踮鼬眈江苏大学硕士学位论文00 0 20 0 4O 0 60 佛O ，012( c ) 速度分布对比图( c ) C o m p a r i s o nc h a r to f v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n图4 8 自吸式和常规喷嘴喷雾器液滴速度分布F i g4 - 8D r o p l c tv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nf o rn o r m a la n ds e l f - i n h a l es p r a y e r4 6 本章小结本章对自吸式旋转喷雾与常规喷雾进行了C F D 数值模拟研究。首先，简单介绍了C F D 基本理论，包括控制方程、边界条件、离散方法、计算方法等。其次，介绍了所用的f l u e n t 的数值模拟软件，包括它的技术特点，功能的简介和它分析的主要步骤。然后介绍了F l u e n t 软件模型计算中用到的一些基本方程。最后，用此软件模拟了常规喷嘴和自吸空气式旋转喷雾器的流场分布。得出在同一截面处，自吸式的截面平均S M D 比常规喷嘴小，且液滴流量密度分布均匀。l l | | ll ll llIl，江苏大学硕士季位论文第五章结论及展望本文先是对自吸空气式旋转喷雾器的理论研究，包括雾化机理，两相流流体力学理论、雾化模型、设计依据、捕尘机理、影响降尘效率的因素，以及喷雾器的理论设计。然后对喷雾器进行了实验室实验，包括正交表实验、压力流量特性的拟合、雾化特性实验、喷雾场附近温度，相对湿度及空气密度的测量、出口断面风速分布、喷雾器降尘总效率和分级效率实验性能比较试验。最后甩f l u e n t对常规喷嘴、自吸空气式雾化喷雾器的流场分布，它们各自不同截面处的S M D 值，液滴速度分布的避行数值模拟研究。通过本文的研究主要可以归纳如下的几点结论：( 1 ) 通过正交表实验我们得到：当喉嘴距4 8 m ，水压为1 3 M P a ，扩散角为3 0 。时，有效射程、喷射角、S t 1 ) 值、吸风量达到最佳；正交实验层次分析法的分析结果和正交实验结果一致。( 2 ) 由压力流量特性的拟合实验，得到水压与水量的关系校正曲线- 3 1 9 3 9Y 2 1 6 2 7 e 。( 3 ) 1 3 M P a 压力下，随着喷射距离的增大，截面中心和边缘处的雾滴的S M D值增大，轴向速度下降，从截面的边缘到中心，S I D 值减小，轴向速度缓慢变大，相对于同一位置处，随着水压的增加，自吸式喷雾器喷出的水滴平均雾滴直径有了明显的变小，自吸式喷雾器比常规喷嘴雾滴的分布均匀度好。( 4 ) 自吸式喷雾器总粉尘降尘效率为9 8 9 ，对于 5 u m 的呼吸性粉尘，分级效率为9 8 2 。自吸式和常规喷嘴的总除尘效率差不多，而对于呼吸性粉尘自吸式喷雾器降尘效果更好。( 5 ) 实验现场温度为1 8 5 C ，相对湿度0 8 6 ，空气密度P = 1 2 0 k g m 3 ，符合现场作业要求。( 6 ) 自吸式喷雾器出口风速在轴线上最大，离喷雾器出口越远，轴向风速就越小，自吸式风速分布均匀度要好于常规喷嘴。( 7 ) 自吸式喷雾器在和常规喷嘴水压一定的情况下，喷射角和有效射程相差不大，但S M O 值下降很多。江苏大学硕士学位
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