空氣輔助霧化噴嘴的數(shù)值模擬研究

劉海軍，宋來(lái)武，吳 華

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

利用核能發(fā)電是性價(jià)比高、碳排量低的新型發(fā)電方式，是化石能源和水力資源之后的世界第三種主要能源。核燃料在發(fā)電過(guò)程中會(huì)慢慢裂變，以致無(wú)法使用，出于節(jié)能經(jīng)濟(jì)性和減少污染排放的要求，對(duì)核燃料進(jìn)行后處理和循環(huán)利用尤為重要。在已經(jīng)確定的水法后處理中，鈾以硝酸鈾酰水溶液的形式被回收，濃縮的硝酸鈾酰溶液在流化床中脫硝生成三氧化鈾，進(jìn)一步還原生成二氧化鈾，然后轉(zhuǎn)變成四氟化鈾，最后還原成金屬鈾循環(huán)使用［1］。硝酸鈾酰水溶液的霧化能夠使液料形成尺寸均勻，顆粒直徑小的液霧，以增加硝酸鈾酰水溶液與流化氣和流化底料之間的接觸面積，提高反應(yīng)速度。由于硝酸鈾酰水溶液粘度較大，因此適合霧化高粘度液體的空氣輔助霧化噴嘴是其常用的霧化設(shè)備之一。

空氣霧化噴嘴具有很多突出特點(diǎn)，在較低的油壓下可以獲得良好的霧化效果，尤其是對(duì)霧化高粘度的液體有很好的霧化質(zhì)量，流量調(diào)節(jié)范圍廣，且能在較大的燃油流量范圍內(nèi)得到良好的霧化質(zhì)量，因此它在石油、化工、電力等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［2－4］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究［5－9］。Holtzclaw［10］和Wang［11］等人應(yīng)用PIV 技術(shù)分析了工作參數(shù)對(duì)霧化顆粒速度、液膜厚度和霧化錐角等霧化特性的影響。沈赤兵等［12］采用馬爾文激光散射測(cè)粒系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到了索特平均直徑，霧化顆粒尺寸分布等霧化特性。采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行噴霧霧化過(guò)程的研究還很少［13－15］，因此，本文模擬研究了一種帶有螺紋通道的空氣輔助霧化噴嘴的霧化過(guò)程。通過(guò)兩步法，首先進(jìn)行噴管內(nèi)單相模擬，然后根據(jù)單相模擬結(jié)果再進(jìn)行霧化場(chǎng)中的氣液兩相模擬，得到了霧化場(chǎng)中的霧化顆粒速度分布和尺寸分布等霧化特性。

1 噴霧模型

1．1 空氣輔助霧化噴嘴結(jié)構(gòu)圖

噴管內(nèi)氣相通道的三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中噴嘴出口處液料出口直徑為2．0 mm，氣體出口環(huán)內(nèi)徑為3．0 mm，外徑為3．3 mm。液料通過(guò)中心流動(dòng)通道，從入口進(jìn)入噴管內(nèi)，從右側(cè)出口噴出;空氣從入口處進(jìn)入到環(huán)形氣相通道中，氣流在噴管內(nèi)經(jīng)過(guò)壓縮，氣流速度增大，并在噴嘴出口處達(dá)到最大，對(duì)出口的液料進(jìn)行沖擊和摩擦，進(jìn)行霧化。

圖1 霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)圖

1．2 霧化模型

針對(duì)噴管內(nèi)流動(dòng)，建立數(shù)學(xué)模型。質(zhì)量守恒方程

式中 ρ——流體的密度;

v——流體的速度矢量。動(dòng)量守恒方程

式中

p——靜壓;

ρg、F——質(zhì)量力;

τ——應(yīng)力張量;

μ——分子粘度;

I——單位張量。能量守恒方程

式中

keff——有效熱傳導(dǎo);

Jj——組分j 的擴(kuò)散通量。

右邊括號(hào)內(nèi)的三項(xiàng)分別表示由于導(dǎo)熱，組分?jǐn)U散和粘性耗散引起的能量變化。湍流模型采用k －ε 湍流模型。近壁面處理方式采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，湍流動(dòng)能k 和湍流耗散率ε，可從以下輸運(yùn)方程中得到

式中 Gk——由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能Gb——由浮升力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能μt——湍流粘度

式中 u——脈動(dòng)速度;

C1ε、C2ε、C3ε、Cμ——常數(shù)，C1ε=1． 44，C2ε=1．92，Cμ=0．99。

對(duì)于噴管外霧化場(chǎng)中的兩相流動(dòng)，采用歐拉－拉格朗日耦合算法進(jìn)行模擬，對(duì)氣場(chǎng)采用歐拉算法，對(duì)液相采用拉格朗日粒子跟蹤方法，考慮各個(gè)區(qū)域之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換進(jìn)行相間耦合迭代計(jì)算。噴嘴模型選擇空氣輔助霧化噴嘴，曳力模型采用動(dòng)態(tài)曳力模型。圖2 為連續(xù)相與離散相耦合計(jì)算示意圖。

圖2 連續(xù)相與離散相耦合計(jì)算示意圖

采用KHRT(Kelvin －Helmholt －Rayleigh －Taylor)破碎模型，認(rèn)為破碎過(guò)程是由KH 破碎模型和RT 破碎模型共同作用的結(jié)果。通過(guò)列維奇理論［9］可計(jì)算得到液穴長(zhǎng)度

式中 CL——列維奇常數(shù);

d0——相對(duì)噴嘴直徑;

ρl、ρg——液相密度和氣相密度。

式中

De——液斑直徑;

Ca——收縮系數(shù)。

RT 模型中，認(rèn)為RT 不穩(wěn)定波是破碎的主要因素，增長(zhǎng)最快的射流不穩(wěn)定波頻率為

式中 gt——液滴運(yùn)動(dòng)方向的加速度，對(duì)應(yīng)的波數(shù)為

RT 不穩(wěn)定波的形成時(shí)間一般比破碎時(shí)間稍長(zhǎng)，破碎時(shí)間為

破碎形成的子液滴半徑為

2 初始和邊界條件

根據(jù)實(shí)際情況，邊界條件的設(shè)置如下:入口邊界條件為質(zhì)量流量入口邊界條件，出口邊界條件為壓力出口邊界條件，氣體工質(zhì)為可壓縮理想氣體。表1 給出了模擬計(jì)算所需的邊界參數(shù)和物性參數(shù)。

表1 模擬計(jì)算所需參數(shù)值

圖3 給出了噴管內(nèi)的網(wǎng)格劃分，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在噴嘴出口附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，優(yōu)化了網(wǎng)格質(zhì)量。

圖3 噴管內(nèi)的網(wǎng)格

圖4 給出了噴管外霧化場(chǎng)的網(wǎng)格，霧化場(chǎng)進(jìn)行了二維軸對(duì)稱簡(jiǎn)化計(jì)算，選擇了一個(gè)直徑為1 m，長(zhǎng)1 m 的圓柱空間進(jìn)行霧化過(guò)程的計(jì)算。

圖4 噴管外霧化場(chǎng)的網(wǎng)格

3 結(jié)果與討論

3．1 噴嘴內(nèi)氣相流動(dòng)特性

圖5 中給出了噴嘴內(nèi)氣相速度場(chǎng)的分布圖。從圖中可以看出，氣相在噴管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，氣體速度在噴管前部分基本不發(fā)生變化，只在噴嘴出口附近，發(fā)生顯著變化。由于氣體在噴管內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程中，噴嘴截面在前面部分不發(fā)生明顯變化，因此，氣體速度基本不變，在噴嘴出口附近，氣相通道截面積逐漸縮小，并在近噴嘴出口處逐漸增大，形成縮放型噴管，氣體速度也發(fā)生顯著變化，逐漸增大，甚至從亞音速增大至超音速。

圖6 和圖7 分別給出了噴嘴內(nèi)氣相壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布圖。從圖中可以看出，氣相在噴管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，氣體壓力和溫度在噴管前面大部分范圍內(nèi)不發(fā)生變化，只在噴嘴出口附近，壓力發(fā)生顯著變化。

3．2 噴嘴外霧化特性

圖8 給出了霧化場(chǎng)中霧化顆粒的粒徑分布圖，從圖中可以看出，霧化顆粒直徑分布均勻，顆粒直徑幾乎在30 μm 左右，霧化形成了良好的張角，不但保證了霧化的貫穿作用，還保證了霧化擴(kuò)散效果，霧化效果良好。

圖8 霧化場(chǎng)中顆粒直徑分布圖

圖6 噴嘴內(nèi)氣相壓力場(chǎng)分布圖

圖7 噴嘴內(nèi)氣相溫度場(chǎng)分布圖

圖9 霧化場(chǎng)中顆粒速度分布圖

圖10 霧滴液滴直徑分布柱狀圖

圖9 中的(a)和(b)分別給出了霧化場(chǎng)顆粒的軸向速度分布圖和顆粒的徑向速度分布圖。霧化液滴具有較大的軸向速度，較小的徑向速度。主要是受空氣在噴嘴出口處速度分布的影響，氣相從噴嘴出口處噴出來(lái)之后，對(duì)中心液料形成了良好的沖擊作用，使液料破碎成霧滴，并使霧滴具有一定的軸向速度和徑向速度，形成良好的擴(kuò)散效果。

圖10 和圖11 分別給出了小噴嘴外霧化場(chǎng)中霧滴尺寸分布柱狀圖和曲線圖。其中柱狀圖給出了霧化場(chǎng)中霧滴直徑在0 ～100 μm 之間的分布百分比，曲線圖給出了霧滴直徑的概率分布曲線。從圖中可以看出，超過(guò)50%的霧滴直徑集中在10 ～15 μm 之間，霧滴直徑主要集中在50 μm 以內(nèi)，最大霧滴直徑在200 μm 左右。

4 結(jié)論

本文采用歐拉－拉格朗日兩相流模型對(duì)一種帶有螺紋通道的空氣輔助霧化噴嘴的霧化過(guò)程進(jìn)行了分析，得到了噴嘴內(nèi)氣相的速度、壓力和溫度分布，最終得到了霧化場(chǎng)中的霧化特性，主要結(jié)論如下:

(1)噴嘴內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中，氣相在噴嘴前段參數(shù)變化不大，但是在靠近出口段，由于噴嘴截面的劇烈變化，氣相參數(shù)發(fā)生明顯變化，速度逐漸增大，壓力逐漸減小，溫度逐漸降低。

(2)噴嘴外霧化過(guò)程中，霧化液滴軸向速度較大，徑向速度較小，霧滴粒徑在30 μm 左右，直徑分布均勻，霧化和擴(kuò)散效果良好。

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