旋流霧化噴嘴內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的特性研究

王 娟，高助威，張雪淼，王江云，毛 羽

(1.中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102200；2.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.海南大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院)

霧化噴嘴[1-6]是將液體霧化成細(xì)小液滴的工業(yè)設(shè)備，通過它可以擴(kuò)展液相在空間截面上的分布，為物料和床層提供較大的接觸面積，從而達(dá)到提高反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)速率和產(chǎn)物收率的效果。由于進(jìn)料噴嘴內(nèi)霧化過程的復(fù)雜性，許多學(xué)者對霧化噴嘴進(jìn)行了試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬。Yao Shanshan等[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)流體黏度在控制液面破裂和霧化過程中起著至關(guān)重要的作用，液體越黏稠噴霧錐角越小。張永良[8]基于量綱分析對離心式噴嘴進(jìn)行了模型化和理論分析，并根據(jù)不同壓力以及不同特征參數(shù)總結(jié)得出表達(dá)流量系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。Lan Zhike等[9]通過試驗(yàn)得到了流量和噴霧錐角與噴嘴壓降的曲線，發(fā)現(xiàn)Nukiyama-Tanasawa分布更適合描述該噴霧的概率密度函數(shù)。魏超[10]針對某型號噴嘴模型進(jìn)行氣液兩相流噴嘴霧化的三維流場的數(shù)值模擬計(jì)算，其模擬方法為穩(wěn)態(tài)連續(xù)相的數(shù)值模擬計(jì)算及非穩(wěn)態(tài)的離散相數(shù)值模擬計(jì)算相耦合的復(fù)雜過程，得到了該噴嘴霧化后的噴霧流場。Zhang Liahua等[11]在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)中植入代碼，在二維軸對稱穩(wěn)態(tài)條件下，研究一種銳邊噴嘴氣流的射流動(dòng)力學(xué)特性，獲得了射流的氣體和粒子速度。Qin Chao等[12]通過對噴嘴中的霧化平均粒徑和氣體速度的試驗(yàn)研究，并且結(jié)合數(shù)值模擬中的離散隨機(jī)粒子軌跡模型合理地描述了氣體速度和液滴速度的空間分布。Ghobad[13]利用動(dòng)量積分法，研究了從噴嘴入口到孔板出口的邊界層的增長，并計(jì)算了流動(dòng)液體的速度。聶濤[14]解決了應(yīng)用于沉降粉塵的旋流式噴嘴中的噴霧壓力與噴嘴孔徑的匹配不盡合理等問題。Liu Xiufang等[15]對比了實(shí)心錐體壓力旋流噴嘴中流體介質(zhì)分別為水與液氮時(shí)的流量系數(shù)，并考慮了氣液相變對噴嘴的影響。Sies等[16]研究使用pH試紙測定霧滴大小，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，該方法與相位多普勒分析儀相比是一種低成本測定噴霧液滴的方法。

目前，對霧化噴嘴的理論與試驗(yàn)研究依然處于不斷地探究和完善之中。但是由于進(jìn)料噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸小，內(nèi)部為氣液兩相流動(dòng)，流場非常復(fù)雜，相關(guān)數(shù)值模擬的報(bào)道[17-24]很少。本課題通過試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對旋流霧化過程用噴嘴展開研究，模擬分析其內(nèi)部三維湍流流場，以期獲取旋流霧化噴嘴的流動(dòng)規(guī)律，為工程實(shí)踐提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝 置

冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)示意見圖1。試驗(yàn)裝置主要包含以下4個(gè)部分：管路系統(tǒng)、壓力流量等流動(dòng)參數(shù)的測量控制系統(tǒng)、噴嘴射流霧化的觀測部分以及余液回收系統(tǒng)。本課題著重研究石油化工領(lǐng)域的重質(zhì)油加氫過程。由于試驗(yàn)條件及環(huán)境的差異，實(shí)際流動(dòng)較難通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，而且耗費(fèi)較大。所以本研究通過密度較為相近的空氣和水進(jìn)行冷模試驗(yàn)，以期對重質(zhì)油加氫過程以及旋流霧化過程進(jìn)行分析，為工業(yè)應(yīng)用提供參考。

圖1 冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)示意

試驗(yàn)介質(zhì)分氣液兩相，氣相為壓縮空氣，液相為水。通過冷態(tài)試驗(yàn)(不涉及相變)探究氣液兩相流體在旋流噴嘴內(nèi)的混合以及霧化過程。由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，一部分供給氣路，一部分供給液路，最終氣液兩相流體從噴嘴噴出。霧化粒徑由馬爾文粒度儀(Mastersizer 2000)測得，噴射錐角由高速攝像儀測得，壓力表用于測量噴嘴入口壓力，轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測量氣液兩路流量。

1.2 固定床反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)

固定床反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)示意見圖2。采用縮放型噴口可以增大噴嘴中氣液混合物的速度，當(dāng)氣液混合物由噴口噴出時(shí)，與外界氣體之間具有較大的速度差，有利于液相進(jìn)料的二次霧化。

圖2 固定床反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

1.3 旋流霧化噴嘴的工作原理

新型旋流霧化噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)示意見圖3。液體在壓差的作用下切向進(jìn)入旋流室，向噴嘴口運(yùn)動(dòng)的同時(shí)在旋流室內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成液膜，旋流室腔體直徑與噴口直徑比值較大，形成管道突縮，所以液體進(jìn)入噴口速度迅速增大，而后以相對噴口外氣體較高的速度從噴嘴口旋轉(zhuǎn)噴射而出，最終在噴口外氣液之間強(qiáng)烈的剪切作用下破碎霧化成細(xì)小霧粒，形成較好的霧化效果。其中，氣相與液相入口處使用噴嘴的有效直徑為2.5 mm和1.5 mm，外伸長度為16 mm。

圖3 新型旋流霧化噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.4.1 霧化角不同氣體流量(QG)條件下的霧化效果見圖4。由圖4可以看出，隨著氣液流量的增加，噴嘴霧化角均在15°～25°之間，變化不大。說明所設(shè)計(jì)的噴嘴在給定條件下的霧化角及霧錐覆蓋范圍和面積具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，為固定床反應(yīng)器的操作帶來穩(wěn)定性，并提供較大操作彈性。

圖4 不同氣體流量下的霧化效果

1.4.2 霧化粒徑與分布指數(shù)在保持氣液體積比為600的工況下，隨著氣體流量、液體流量同步增加，在距離噴口300 mm截面處測得的霧化粒徑與分布指數(shù)的變化見圖5。由圖5(a)可以看到，隨著氣液兩相流量的增加，霧化粒徑呈減小趨勢，且當(dāng)QG大于20 m3h后霧化液滴粒徑呈大幅下降趨勢，最低可達(dá)到十幾微米，說明該噴嘴具有較好的霧化效果。由圖5(b)可以看出，不同流量下的分布指數(shù)均在2～4之間，說明其霧化液滴粒徑分布較好。

圖5 不同氣體流量下的粒徑分布和分布指數(shù)

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 湍流模型雷諾應(yīng)力(RSM)模型在對二階關(guān)聯(lián)項(xiàng)建立微分方程時(shí)又引入了三階未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，通過高階項(xiàng)降階來封閉模型。對高階項(xiàng)的不同簡化方法構(gòu)成了多種應(yīng)力方程模型，目前應(yīng)用最廣的是二階矩封閉法，即使二階關(guān)聯(lián)量簡化方程中的三階關(guān)聯(lián)量。RSM模型摒棄了各向同性假設(shè)，對各向異性的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、浮力流動(dòng)等預(yù)報(bào)精度明顯優(yōu)于RNGκ-ε模型[3]。RSM模型求解雷諾應(yīng)力張量的各個(gè)分量的輸運(yùn)方程為：

Pij+Gij+φij+εij+Fij

(1)

其中，方程(1)中右側(cè)各分量的物理含義及表達(dá)式如下所示：

式中：δ表示克羅內(nèi)克函數(shù)；θ為角度；ρ為液體密度，kgm；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；β為系數(shù)；u為液體流速，ms；t為時(shí)間，s；ε為湍流耗散率，m2·s3；Ω為反對稱渦張力，s-1；p為壓力，Pa；x為三維坐標(biāo)，mm；下角標(biāo)i，j，k為矢量方向。

2.1.2 多相流模型歐拉-歐拉(Euler-Euler)雙流體模型的基本計(jì)算思路為：假設(shè)流場充滿整個(gè)計(jì)算場，在計(jì)算過程中，針對各相流體分別完成對應(yīng)的守恒方程的計(jì)算，之后通過相間作用將各守恒方程耦合。雙流體模型的優(yōu)點(diǎn)是可全面考慮顆粒相的湍流輸送，并用同一方法處理顆粒相(液相)及連續(xù)相(氣相)。相較于歐拉-拉格朗日法，歐拉-歐拉雙流體模型假定液滴離散相為擬流體，具有較低的計(jì)算量。因此，在此采用歐拉-歐拉雙流體模型對旋流噴嘴以及固定床反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在歐拉-歐拉模型中，由于引入了相體積率，可以對各相單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，每一相都有單獨(dú)的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。

根據(jù)實(shí)際流場的分析，氣液兩相之間不存在化學(xué)反應(yīng)和物理相變[3]，不考慮相間和相內(nèi)的熱交換以及傳質(zhì)問題，考慮重力的影響。流動(dòng)按照不可壓縮處理，控制方程如下：

第k相的連續(xù)性方程：

(2)

第k相的動(dòng)量守恒方程：

(3)

2.2 計(jì)算條件

在Fluent里設(shè)定計(jì)算模型參數(shù)：采用歐拉-歐拉雙流體模型。湍流模型采用更適用于旋轉(zhuǎn)流場的RSM模型。定義入口條件為速度入口，出口條件為壓力出口，時(shí)間步長為0.001 s，壁面條件為無滑移壁面條件，壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，離散格式選擇一階迎風(fēng)格式，計(jì)算迭代至收斂。

2.3 邊界條件

數(shù)值模擬過程中，邊界條件設(shè)置為：氣相介質(zhì)為氫氣，氣相進(jìn)口速度計(jì)為vG；液相介質(zhì)為二甘醇，液相有兩個(gè)入口，進(jìn)口速度分別計(jì)為vL1和vL2；氣液體積比為600；出口壓力為0 Pa；壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。分別以噴嘴中QG為15，20，25，30 m3h設(shè)定4種工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)。具體參數(shù)見表1和表2。

表1 常溫(25 ℃)下進(jìn)料噴嘴原料物性參數(shù)

表2 邊界條件

2.4 網(wǎng)格劃分

旋流霧化噴嘴反應(yīng)器的網(wǎng)格劃分示意見圖6。網(wǎng)格為全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，比例為1∶1。并對混合腔入口，縮放型噴口及反應(yīng)器邊壁進(jìn)行網(wǎng)格加密，節(jié)點(diǎn)數(shù)為268 026。

圖6 網(wǎng)格劃分示意

3 可靠性驗(yàn)證

在保證氣液體積比為600的前提下，分別對噴嘴中QG為15，20，25，30 m3/h的4種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。不同氣體流量下的中心截面的壓力(p)云圖見圖7。由圖7可以看出，不同氣體流量下反應(yīng)器內(nèi)部壓力變化趨勢一致，均在縮放型噴口中流動(dòng)過程中產(chǎn)生了較大的壓力損失，符合伯努利方程。

圖7 不同氣體流量下的壓力云圖

壓降的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的對比見圖8。由圖8可以看出，當(dāng)QG≤25 m3/h時(shí)兩者基本吻合，當(dāng)QG>25 m3/h時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比出現(xiàn)較大偏差。這是因?yàn)楫?dāng)馬赫數(shù)M≤0.3時(shí)，氣體密度的相對變化很微小，通常認(rèn)為是不可壓縮流。而當(dāng)QG>25 m3/h時(shí)，氣體流速過高，使得M>0.3，此時(shí)不可將氣體看作不可壓縮流，需采用基于密度的算法，即所用數(shù)值模型有局限性，故下述分析只討論QG<25 m3/h時(shí)的情況。壓降的試驗(yàn)值比模擬計(jì)算結(jié)果普遍偏高，這是由于管路沿程阻力以及輕微的管道泄露造成的。最終的結(jié)果說明用RSM模型和歐拉雙流體模型在一定氣速下能較好地模擬出旋流噴嘴內(nèi)部流場以及反應(yīng)器內(nèi)的物料分布。

圖8 壓降的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的對比

4 流場分析與討論

4.1 速度場分布

噴嘴內(nèi)部速度流線見圖9。由圖9可知，噴嘴內(nèi)部的流場是非軸對稱的。氣液兩相流體自各自進(jìn)口到混合腔混合，然后邊旋轉(zhuǎn)邊向出口推進(jìn)，其流動(dòng)軌跡近似為螺旋線。為了清楚地描述噴嘴內(nèi)部流場的情況，在混合腔內(nèi)選取若干截面，來描繪反應(yīng)器內(nèi)部流場的變化。由于影響旋流霧化效果的主要是切向速度的大小，所以截取軸向截面(z)分別為-120.83，-140.83，-160.83，-180.83，-200.83，-220.83，-251.25，-257.50，-265.00，-271.00 mm的切向速度(v)曲線來探究混合腔的內(nèi)部流場。

圖9 噴嘴內(nèi)部速度流線

不同流量下的切向速度(vt)相對于徑向位置(rR)的分布曲線見圖10。由圖10可以看出：當(dāng)QG分別為15 m3/h和20 m3/h時(shí)，vt的變化趨勢基本一致；當(dāng)QG為25 m3/h時(shí)，混合腔內(nèi)的vt變化趨勢與低流量時(shí)的變化趨勢不同，具有較大的不穩(wěn)定性，變化的比較劇烈。隨著流量的增加，同等軸向高度的vt峰值均有所增加，說明流量越大，氣液兩相之間的剪切作用越大。所以，隨著流量增加，液體霧化粒徑逐漸減小。

圖10 不同流量下的vt相對于徑向位置的分布曲線

4.2 噴嘴內(nèi)部氣液兩相分布

噴嘴內(nèi)部氣液兩相的分布情況，與反應(yīng)器中的霧化效果息息相關(guān)。想要研究噴嘴內(nèi)部氣液兩相中的液相的分布情況，定義噴嘴中某一點(diǎn)的二甘醇的體積分?jǐn)?shù)來反映兩相介質(zhì)的混合情況。體積分?jǐn)?shù)的取值范圍從0到1，在分布圖中兩個(gè)極值分別用藍(lán)色與0相對應(yīng)，紅色與1相對應(yīng)。不同流量下的液相分布云圖見圖11。由圖11可以看出，由噴嘴液相進(jìn)料進(jìn)口向著出口的方向，二甘醇的體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當(dāng)二甘醇流至氫氣入口后，在氫氣的巨大速度差下，被其完全裹挾著從噴嘴出口噴出。氣液比一定，隨著氣液流量的增加，二甘醇分布趨勢大致相同。

圖11 不同流量下的液相分布云圖

4.3 反應(yīng)器內(nèi)速度場分析

3種工況下的y=0截面的二甘醇切向速度(v)分布云圖見圖12。由圖12可以看出：隨著氣體流量的增加，二甘醇的射程越來越遠(yuǎn)，但是霧化角變化不大，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，再一次驗(yàn)證了所用模型的正確性；QG為15 m3/h和20 m3/h兩種工況比較合適催化劑床層設(shè)置在距離噴口480 mm位置的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；QG為25 m3/h工況下的射程較遠(yuǎn)，到達(dá)催化劑床層位置時(shí)的速度較大，不適合本課題中討論的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。

圖12 不同流量下的速度分布云圖

為了反映出到達(dá)反應(yīng)器內(nèi)部催化劑床層的二甘醇物料分配的均勻程度，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中的方差概念，引入了液相物料的分配不均勻度B1和相對不均勻度B2的概念，對氣動(dòng)旋流霧化噴嘴的物料分配性能進(jìn)行定量評估，其定義式分別如式(4)和式(5)所示。

(4)

(5)

在軸向截面(z)為-750 mm上、徑向位置(r/R)為±0.45之間均勻選取14個(gè)速度監(jiān)測點(diǎn)，分別計(jì)算二甘醇分配相對不均勻度(B2)。在QG分別為15，20，25 m3/h條件下，B2分別為27.94%，26.06%，33.42%。隨著氣液流量的增加，B2先減小后增大，QG為20 m3/h工況下B2最小。

不同氣體流量下二甘醇的v分布曲線見圖13。由圖13可以看出，隨著流量的增加，z為-750 mm截面上二甘醇的速度峰值也在逐漸增大，QG為15 m3/h工況下二甘醇的速度峰值達(dá)到7.87 m/s，QG為20 m3/h工況下二甘醇的速度峰值達(dá)到8.64 m/s，QG為25 m3/h工況下二甘醇的速度峰值達(dá)到14.81 m/s。

圖13 不同氣體流量下速度分布曲線

5 結(jié) 論

(1)運(yùn)用馬爾文粒度儀對新型旋流霧化噴嘴進(jìn)行霧化粒徑的測量，由高速攝像儀測量噴射錐角。結(jié)果表明，在氣體流量下為15，20，25，30 m3/h情況下，該噴嘴在給定條件下的霧化角及霧錐覆蓋范圍和面積具有相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，霧化液滴粒徑分布指數(shù)均在2～4之間。這也表明了該噴嘴具有較好的霧化效果。

(2)采用雷諾應(yīng)力(RSM)湍流模型和歐拉-歐拉兩相流模型，對旋流霧化噴嘴中的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合?；旌锨坏那邢蛩俣确植紭O不對稱；隨著流體向下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切向速度逐漸呈中心對稱分布，速度整體呈下降趨勢。

(3)在噴嘴局部流場中，由于流通截面的減小，切向速度迅速增大，在喉部區(qū)域達(dá)到峰值，流經(jīng)喉部后，由于流通面積的增加，切向速度呈減小趨勢。

(4)隨著氣液流量的增加，二甘醇的分配不均勻度先減小后增大，二甘醇的射程越來越遠(yuǎn)。QG為15 m3/h和20 m3/h兩種工況下比較適合催化劑床層設(shè)置在距離噴口480 mm位置的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)；QG為25 m3/h工況下的二甘醇射程較遠(yuǎn)，到達(dá)催化劑床層位置時(shí)的速度較大，不適合催化劑床層設(shè)置在距離噴口480 mm位置的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。