專利名稱：預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化趨勢的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于霧化射流領(lǐng)域，尤其涉及一種預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化趨勢的方法。
背景技術(shù)：
霧化射流的應(yīng)用范圍覆蓋工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥，日常生活，航空航天，氣象等各個領(lǐng) 域，其中較為典型的有燃燒和噴涂領(lǐng)域，良好的霧化效果有利于燃燒充分，節(jié)能減排；有利 于提高噴涂效率，制造高性能材料。衡量霧化效果最重要的依據(jù)之一是液霧粒徑的大小。液 霧粒徑的最終大小是由表面張力、粘性力和氣動力決定的，而在噴射平面上，氣動力遠(yuǎn)大于 表面張力，所以液滴在射出噴嘴后，會經(jīng)歷一系列復(fù)雜的破碎和碰撞過程。這一復(fù)雜過程是 由多參數(shù)共同作用，為了獲得理想的霧化效果，有效地控制霧化液滴粒徑，必須充分了解各 個工況參數(shù)和液體物性參數(shù)的作用。一個能通過輸入?yún)?shù)來預(yù)測霧化效果的簡便方法一直 是工業(yè)界關(guān)心的熱點。此外，由于二次霧化和碰撞等現(xiàn)象的存在，霧化粒徑的大小沿軸向是 變化的，軸向距離的合理布置關(guān)系到霧化效果的充分實現(xiàn)，但是現(xiàn)有的預(yù)測霧化粒徑的公 式大都固定測量平面而忽略了這一變化趨勢。不同特性的霧化噴嘴有不同的霧化效果和應(yīng)用背景。氣泡霧化噴嘴相比傳統(tǒng)的壓 力噴嘴，兩相流噴嘴，有著霧化質(zhì)量高、耗氣量小、霧化效果基本不受出口直徑影響等特點， 可用于霧化高粘液體，有著廣闊的應(yīng)用前景，目前已成功應(yīng)用于燃燒，制藥等領(lǐng)域。對泡狀 霧化噴嘴的實驗研究，已揭示了重要工況參數(shù)對霧化效果的影響趨勢，但是參數(shù)之間的量 化關(guān)系式尚未明確，一個能預(yù)測平均粒徑沿軸向變化趨勢的簡便方法尚未被提出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒 徑沿軸向演化趨勢的方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明首先確認(rèn)噴嘴類型和工況所 在范圍。本發(fā)明適用于典型的泡狀霧化噴嘴，要求輸入?yún)?shù)在一定范圍內(nèi)，具體如下氣液 質(zhì)量流量比ALR :0· 04 0. 2 ；入射壓力Pin (g/cm · s2) 2 X IO6 8 X IO6 ；噴嘴直徑Dnoz (cm) 0. 05 0.4 ；液體質(zhì)量流量辦(g/S): 2 20;液體粘性yjg/km.s)) :0·01 0.4;液體 表面張力^(g/s2) :20 72;霧化射流時，噴嘴附近溫度氣壓為常溫常壓；霧化所用氣體 為空氣。然后根據(jù)以下公式計算液霧Sauter平均直徑沿軸向距離y的變化趨勢<formula>formula see original document page 4</formula>上式所用的量綱制是cm，g，s。其中SMD是Sauter平均直徑，指的是所有液滴體 積之和和表面積之和之比，單位cm。ALR是氣液質(zhì)量流量比，無量綱；Pin是入射壓力，單位 g/cm · S2 ；Dnoz是噴嘴直徑，單位cm ；內(nèi)是液體質(zhì)量流量，單位g/s ； μ工是液體粘性，單位g/ (cm-s) ； σ χ是液體表面張力，單位g/s2 ；。y是液滴距噴嘴的軸向距離，單位cm，該公式所 能預(yù)測y的范圍是0 20cm。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提供了可以預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均液霧粒徑沿軸向 變化的經(jīng)驗公式，該公式所需輸入?yún)?shù)為獨(dú)立變量，易于獲得，有助于方便快捷的判斷各種 工況條件對液霧平均粒徑的影響程度，有益于高效的調(diào)節(jié)工況以獲得預(yù)期的霧化效果。此 夕卜，本發(fā)明的公式，針對于應(yīng)用前景廣闊的泡狀霧化噴嘴，可用于計算各個軸向截面上霧化 液滴的平均粒徑，有利于軸向距離的合理布置，且適用范圍覆蓋多種工況和多種霧化液體， 具有較大的實用價值。


圖1是泡狀霧化噴嘴霧化射流示意圖；圖2是一次霧化和二次霧化模型流程圖；圖3是液霧平均粒徑SMD沿軸向變化趨勢的公式計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬 的對比圖；圖4是液霧平均粒徑SMD的公式計算結(jié)果和大量實驗數(shù)據(jù)的對比圖。
具體實施例方式泡狀霧化噴嘴的霧化過程可分為兩個階段，如圖1(其中1，2分別是霧化所需液體 和氣體，3指泡狀霧化噴嘴)，首先壓縮空氣以某種適當(dāng)?shù)姆绞阶⑷氲揭后w中，兩者在噴嘴 混合室內(nèi)形成穩(wěn)定的泡狀兩相流動；在噴嘴出口處，由于氣泡對液體的擠壓和剪切作用，液 體以包含微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，在離開噴嘴出口極短的距離內(nèi)，由于氣泡內(nèi) 外壓差的劇烈變化，促使它急劇膨脹直至破裂。從而將包裹在其周圍的液膜進(jìn)一步破碎成 為更加細(xì)微的液霧顆粒，這是一次霧化的過程，初次霧化過程與噴嘴尺寸、氣液濃度比、噴 射壓差等因素密切相關(guān)；然后，這些細(xì)微的液霧顆粒在湍動的射流氣流中是不穩(wěn)定的，在噴 嘴中下游會發(fā)生碰撞、破碎、合并等二次霧化過程，改變液滴的大小和分布。為了能深入了解上述霧化射流過程中各個參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，本發(fā)明采用的途 徑是建立一個涵蓋一次霧化和二次霧化過程的數(shù)值模型，應(yīng)用此模型模擬霧化射流過程， 在此基礎(chǔ)上通過大量可重復(fù)性計算推導(dǎo)出一個能預(yù)測泡狀霧化噴嘴下游區(qū)域液霧平均粒 徑的公式。如圖2，數(shù)值模型中一次霧化模型是基于Limd所提出的SMD的經(jīng)驗公式(SMD是所有液滴顆粒的體積和表面積之比，常用于霧化射流領(lǐng)域，表征平均粒徑)，假設(shè)一次霧 化過程起始于某個相對規(guī)則的氣液形態(tài)(由實驗觀察可知，泡狀霧化噴嘴出口處氣液形態(tài) 近似于環(huán)狀)，隨后經(jīng)歷了由環(huán)狀液膜破碎到柱狀液線，再由柱狀液線波動破碎成小液滴碎 片，最終每個碎片形成一個球狀液滴，其中認(rèn)為柱狀液絲的直徑等于環(huán)狀液膜的厚度。一次 霧化模型的建立是為了根據(jù)工況條件得到初始的顆粒平均粒徑，為二次霧化的計算提供初 始條件；二次霧化模型中，湍流場的計算采用k_ ε湍流模型，粒子計算采用拉各朗日方法， 建立了受力、碰撞、破碎三種粒子模型，由此模擬了軸對稱三維射流的流動過程，其中粒子 和流場為雙向耦合。粒子受到的外界作用力簡化為氣動力和重力。破碎模型采用了適用于 霧化噴流的CAB模型，碰撞模型考慮了液滴碰撞后合并和反彈兩種情況。一次霧化模型和 二次霧化模型均已經(jīng)實驗數(shù)據(jù)驗證，可用于模擬霧化射流過程。通過分析實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，可得出SMD隨軸向距離的變化趨勢其主要特 征是SMD沿軸線有一個先減小后增大的過程，其內(nèi)在原因是在噴嘴出口處液滴與載氣的相 對速度及液滴粒徑均較大，所以碰碎韋伯?dāng)?shù)較大，液滴易破碎，粒徑減小。而在射流下游處， 液滴碰撞合并作用占主導(dǎo)，使顆粒直徑逐漸增大。抓住這一主要特征，可將不同區(qū)域SMD沿 軸向變化趨勢概括為
<formula>formula see original document page 5</formula>其中SMDtl是一次霧化后液滴的初始粒徑，k，kk表明工況參數(shù)和液體物性參數(shù)的 影響。SMDtl, k，kk均可由上述數(shù)值計算確立起和工況條件及液體物性之間的關(guān)系式，具體 做法是將影響霧化效果的工況參數(shù)和物性條件逐一加以分析，取合理運(yùn)行范圍內(nèi)的一組輸 入?yún)?shù)為基準(zhǔn)參數(shù)，通過大量數(shù)值模擬計算，將氣液質(zhì)量流量比，入射壓力，噴嘴直徑，液體 流量，液體粘性和表面張力等影響因素采用線性擬合的方式建立起與SMDtl, k，kk之間的關(guān) 系式，從而得到平均粒徑SMD沿軸向變化的表達(dá)式。該表達(dá)式不僅能判斷各種工況條件對 液霧平均粒徑的影響程度，而且能預(yù)測各個軸向截面上平均霧化粒徑的數(shù)值，有利于工程 實踐中高效的調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)和軸向距離以獲得預(yù)期的霧化效果。本發(fā)明采用的技術(shù)方案的主要步驟如下第一步確認(rèn)噴嘴類型和工況所在范圍。本發(fā)明中預(yù)測Sauter平均直徑的公式 只適用于泡狀霧化噴嘴，且要求輸入?yún)?shù)在一定范圍內(nèi)，具體要求如下氣液質(zhì)量流量比 ALR 0. 04 0. 2 ；入射壓力 Pin(g/cm · s2) :2X106 8X IO6 ；噴嘴直徑 Dn。z(cm) 0. 05
0. 4 ；液體質(zhì)量流量辦(g/s ) 2 20;液體粘性μ Jg/(cm · S)) :0.01 0· 4 ；液體表面張 力0l(g/s2) :20 72;噴嘴附近溫度和氣壓為常溫常壓；霧化所用氣體為空氣。第二步根據(jù)公式(1)計算液霧Sauter平均直徑沿軸向距離y的變化趨勢。<formula>formula see original document page 6</formula>
其中ALR是氣液質(zhì)量流量比，無量綱；Pin是入射壓力，單位g/cm·S2 ；Dn。z是噴嘴直 徑，單位cm ；內(nèi)是液體質(zhì)量流量，單位g/s ； μ工是液體粘性，單位g/ (cm-s) 是液體表面 張力，單位g/s2;。y是液滴距噴嘴的軸向距離，單位cm。Sauter平均直徑SMD指的是所 有液滴體積之和和表面積之和之比，單位cm。以下結(jié)合實例來說明本發(fā)明的有效性，取劉聯(lián)勝等發(fā)表在工程熱物理學(xué)報上的一 組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，其工況條件為ALR = 0. 176, m = 2.5g/s ,Dnoz = 0. 2cm, Pin = 5 X IO6g/ (cm · s2)，U1 = O. 01g/(cm · s)，σ x = 71. 9g/s2，P x = lg/cm3 霧化所用噴嘴為泡狀霧化 噴嘴，噴嘴外部環(huán)境為常溫常壓，霧化所用氣體為空氣，符合本發(fā)明的應(yīng)用范圍，將工況參 數(shù)帶入公式(1)中計算可得
<formula>formula see original document page 6</formula>其中為書寫簡捷，SMD的單位為μπι。由圖3可知是該公式計算所得曲線和實驗數(shù) 據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，能很好的預(yù)測平均粒徑沿軸向的變化趨勢。圖5是將60組不 同工況，不同物性，不同軸向距離下液霧平均粒徑的實驗數(shù)據(jù)和公式計算進(jìn)行對比，其結(jié)果 符合良好，誤差范圍在30 %以內(nèi)。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化趨勢的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)確認(rèn)噴嘴類型和工況所在范圍。(2)根據(jù)以下公式可計算液霧Sauter平均直徑沿軸向距離y的變化趨勢FSA00000059226100011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化趨勢的方法其特 征在于所述步驟(2)中，預(yù)測Sauter平均直徑的公式只適用于典型的泡狀霧化噴嘴，且 要求輸入?yún)?shù)在一定范圍內(nèi)，具體要求如下氣液質(zhì)量流量比ALR 0. 04 0. 2 ；入射壓力 Pin(g/cm · S2) :2X IO6 8X IO6 ；噴嘴直徑 Dn。z(cm) :0· 05 0. 4 ；液體質(zhì)量流量內(nèi)(g/s ) 2 20 ；液體粘性μ Jg/(cm .s)) :0. 01 0· 4 ；液體表面張力σ x (g/s2) 20 72 ；霧化射 流時，噴嘴附近溫度氣壓為常溫常壓；霧化所用氣體為空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化的方法其特征在 于所述步驟(2)中，輸入?yún)?shù)所用的量綱制是cm，g，s。其中SMD是Sauter平均直徑，指 的是所有液滴體積之和和表面積之和之比，單位cm。ALR是氣液質(zhì)量流量比，無量綱；Pin是 入射壓力，單位g/cm · S2 ；Dnoz是噴嘴直徑，單位cm ；砵是液體質(zhì)量流量，單位g/s ； μ工是液 體粘性，單位g/(cm · s) ； σ χ是液體表面張力，單位g/s2 ；y是液滴距噴嘴的軸向距離，單位 cm，本公式所能預(yù)測y的范圍是O 20cm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一個預(yù)測泡狀霧化噴嘴平均霧化粒徑沿軸向演化趨勢的方法。該方法針對于泡狀霧化噴嘴，建立起完善的數(shù)值模型，將各個運(yùn)行參數(shù)和液體物性參數(shù)對液霧粒徑的影響通過大量數(shù)值計算，再運(yùn)用線性擬合的方式逐一加以量化，建立起液霧Sauter平均粒徑沿軸向變化的關(guān)系式，該關(guān)系式經(jīng)大量實驗數(shù)據(jù)驗證，誤差范圍在30％以內(nèi)。本發(fā)明公式中所需輸入?yún)?shù)為獨(dú)立變量，易于獲得，有助于方便有效的判斷各種工況條件對液霧平均粒徑的影響程度，有益于高效的調(diào)節(jié)工況以獲得預(yù)期的霧化效果。此外，本發(fā)明的公式，針對于應(yīng)用前景廣闊的泡狀霧化噴嘴，可用于計算各個軸向截面上霧化液滴的平均粒徑，有利于軸向距離的合理布置，且適用范圍覆蓋多種工況和多種霧化液體，具有較大的實用價值。
文檔編號G06F19/00GK101814115SQ20101012780
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者林建忠, 熊紅兵, 錢麗娟 申請人:中國計量學(xué)院