柴油的浸沒噴吹霧化特性研究

范孝鋒

摘 要：為研究柴油的浸沒噴吹霧化特性，用計算流體力學的方法建立了柴油的浸沒噴吹霧化模型，并驗證了模型的準確性與可行性。利用此模型計算了不同霧化空氣速度柴油的浸沒噴吹霧化特性。結(jié)果表明：柴油霧化油滴的貫穿距隨著噴油時間的變化先增加后不變;油滴隨氣流到達底部氣液交界面附近時，其索特平均直徑將會減小;隨著霧化空氣流速增大，油滴的貫穿距增大，霧化形成的初始油滴索特平均直徑減小，且在0.006s-0.01s之間的油滴索特平均直徑增大。關(guān)鍵詞：柴油;索特平均直徑;浸沒噴吹;數(shù)值模擬

頂吹浸沒噴吹霧化技術(shù)在有色金屬熔煉中具有廣泛的應(yīng)用，該熔煉方式是分別把空氣與液體燃料噴入熔池內(nèi)對熔煉過程進行霧化燃燒補熱[1]。與其他熔煉方式相比，強化了熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，增大了化學反應(yīng)速率[2]。霧化效果的好壞受多種因素的影響，包括溶液的物理化學特性，過程參數(shù)以及噴嘴結(jié)構(gòu)等[3]。Christensen等[4]總結(jié)出液體的粘度越大、表面張力越大、氣液密度比越小則液體破裂效果越差的規(guī)律。Vajda[5]等研究了不同種類燃料的霧化特性，研究結(jié)果表明液體燃料噴射壓力與貫穿距成正比，環(huán)境壓力與貫穿距成反比;低密度粘度燃料顯示出優(yōu)異的霧化和蒸發(fā)特性，并且有更大的貫穿距，霧化半角及噴霧面積。何旭等[6]研究表明空間壓力與霧化粒徑大小有關(guān)，壓力越大，霧化粒徑越小。Arachilage等[7]對空氣輔助霧化過程中不同空氣的壓力對霧化效果的影響進行研究，研究表明，霧化過程的有效性隨氣壓的升高而增加。Deng等[8]研究了在浸沒環(huán)境下，較低霧化空氣速度與生物柴油同時噴吹柴油的分布特性，并得出霧化速度越大，貫穿距越大，索特直徑最大值的位置距噴口越遠等規(guī)律。目前，國內(nèi)外學者針自由空間霧化研究較多，液體燃料的浸沒噴吹霧化特性研究較少。本文利用CFD對柴油浸沒噴吹霧化過程建立模型，研究在浸沒噴吹相對穩(wěn)定后不同霧化空氣速度下柴油浸沒噴吹霧化特性。

1模型建立

1.1 數(shù)學模型

模型的建立基于ANSYS Fluent中模型的耦合，將空氣與水分別視為連續(xù)的兩相，沒有互相穿插，在每一個控制體內(nèi)體積分數(shù)α和為1。

1.2物理模型及計算工況

本文模擬計算模型高度為950mm，噴槍長度改為550mm，忽略避免厚度。套管噴槍內(nèi)管內(nèi)徑12.4mm，外管內(nèi)徑31.8mm。用水模型來替代熔池中液體， 熔池液面高度為430mm，噴槍插入深度為30mm，如圖1所示。柴油作為霧化燃油。噴槍外層套管進口噴入空氣，內(nèi)層套管噴入柴油。物理模型如圖1所示。計算區(qū)域用ICEM進行劃分，計算網(wǎng)格為三維六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2所示。入口附近是模擬的核心部分，為了提高計算結(jié)果的準確性，對此區(qū)域進行網(wǎng)格加密。總網(wǎng)格數(shù)約為66.65萬。

計算平臺采用ANSYS Fluent 19.2 3D雙精度求解。工作壓力為大氣壓，入口及出口邊界條件分別為速度入口和壓力出口，壁面設(shè)置為非滑移邊界條件。為了研究不同霧化空氣速度對浸沒噴吹霧化特性，計算工況分別設(shè)置為65.63m/s，75.63m/s，85.63m/s，95.63m/s，105.63m/s。

2模型驗證

本文選取五種不同規(guī)格尺寸的網(wǎng)格（網(wǎng)格規(guī)格V1到V5網(wǎng)格數(shù)增加）。對空氣速度85.63m/s浸沒噴吹霧化的柴油的貫穿距進行計算。得到驗證結(jié)果如圖4所示。

由圖3可知，隨著網(wǎng)格數(shù)增加，貫穿距受網(wǎng)格數(shù)的影響減小。將網(wǎng)格V5和V4計算結(jié)果相比較相比較，發(fā)現(xiàn)貫穿距的大小幾乎一致，證明網(wǎng)格已經(jīng)具有獨立性。為了節(jié)省計算時間和成本，使用網(wǎng)格數(shù)量為V4時的物理模型進行計算。

數(shù)學模型的驗證是通過用本文計算模型對噴槍插入深度20mm，霧化空氣速度為4.032m/s時的貫穿距進行計算，并與Deng的浸沒噴吹霧化實驗得到貫穿距進行對比，結(jié)果如圖4所示。實驗值與模擬值最大誤差為11.2%。證明計算結(jié)果具有代表性。

3結(jié)果分析

3.1液滴分布特點

圖5所示是空氣速度為85.63m/s，噴吹0.2s后噴入柴油0.01s時油滴粒子分布特性圖。

由圖5可知，油滴以較小的霧化角分布在霧化空氣噴吹出的氣體空間內(nèi)，當油滴到達噴吹空間底部附近的氣相區(qū)域內(nèi)，沿著氣液交界面向四周擴散。其中，不同顏色代表不同粒徑的油滴，可以看出分布在氣相空間底部附近油滴粒徑較小，向四周擴散后粒徑增大。其原因是油的噴吹速度較慢，霧化空氣速度較快，油滴運動軌跡基本隨著氣流方向分布。在底部氣液交界面附近，湍流強度較大，霧化空氣速度衰減很快，油滴在較大湍流及氣流的沖擊下破碎，破碎后油滴粒徑基本在0.0026mm～0.0164mm之間，破碎的油滴隨著氣流向四周擴散時紊亂，增大了碰撞結(jié)合概率，合并后粒徑分布在0.02mm左右。空氣速度為85.63m/s時噴槍出口到氣液交界面軸向湍流強度及速度如圖6所示。

圖7所示為不同時刻油滴粒徑權(quán)重分布。在空氣速度85.63m/s時，噴槍先噴吹0.2s空氣后噴入油滴粒子，對噴入油滴后0.001s，0.004s，0.007s， 0.01s，0.013s時刻下的所有油滴的粒徑進行統(tǒng)計。由圖可知，所有油滴粒徑分布在0.001mm～0.1mm之間，并且大部分分布于0.026mm～0.055mm范圍內(nèi)，符合正態(tài)分布規(guī)律;此外，噴油時間越長，小粒徑油滴權(quán)重增大，相反較大粒徑油滴權(quán)重減小。其原因是：一方面，隨著噴油時間加長，噴出的油滴增多，經(jīng)過湍流破碎區(qū)域破碎的油滴數(shù)目增多，所占總油滴數(shù)比重增多;另一方面，部分破碎的油滴碰撞合并后粒徑達不到破碎之前的尺徑。

3.2 柴油的貫穿距隨時間變化

本小節(jié)是在各個速度工況下分析噴吹0.2s噴入柴油浸沒噴吹霧化特性。圖10所示為不同噴吹速度時貫穿距隨時間的變化情況。

由圖8可知，同一噴吹速度時，0.0005s～0.0035s區(qū)間內(nèi)貫穿距逐漸增大，0.0035s之后基本保持不變;噴吹速度越大，0.0005s～0.0035s 范圍內(nèi)貫穿距增大速率越大;且最終達到的最大貫穿距越高，空氣速度為65.63m/s，75.63m/s， 85.63m/s，95.63m/s，105.63m/s時的最大貫穿距分別為0.1669m，0.182m， 0.217m， 0.245m，0.266m。這是因為同一浸沒噴吹速度下噴吹深度相同，所以油滴最大的貫穿距0.0035s后保持不變。霧化速度越大，空氣作用于油滴的能量就越大，油滴運動速度越快;噴吹速度越高，噴吹深度越大，油滴所能到達的噴吹深度越大。

3.3柴油的索特平均直徑隨時間變化

圖9所示為不同速度索特平均直徑及粒子統(tǒng)計對比。由圖9（a）可知，同一噴吹速度時0.0005s～0.0035s區(qū)間內(nèi)索特平均直徑基本保持不變，0.0035s開始減小，0.007s后索特平均直徑保持穩(wěn)定。這是因為在0.0005s～0.0035s區(qū)間內(nèi)，油滴破碎和合并能力較小;0.0035s后油滴隨空氣到達噴吹底部氣液交界面附近時開始破碎;0.007s后計算區(qū)域內(nèi)未破碎油滴數(shù)相對于總數(shù)目所占比例較小，總體粒徑變化相對穩(wěn)定。由圖9（a）也可得知：0.0005s～0.0035s區(qū)間內(nèi)，霧化空氣速度越大，油滴粒徑越小。0.0035s后，霧化空氣速度越大，索特平均直徑減小速率越小，最終的油滴粒徑越大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，霧化空氣速度越大，導(dǎo)致空氣柴油初始噴入的破碎能力越強，0.0035s后，油滴運動的不規(guī)則性及碰撞合并能力越大。

為了驗證以上結(jié)論，在不同噴吹速度工況下分別統(tǒng)計噴入柴油0.002s，0.004s，0.006s三個噴油后的時間點，對油滴數(shù)目進行統(tǒng)計，得出圖9（b）所示的統(tǒng)計結(jié)果。由圖9（b）可知：在從0.002s，0.004s至0.006s過程中油滴數(shù)目增大，這是因為持續(xù)的噴油使計算區(qū)域內(nèi)油滴數(shù)越來越多，符合規(guī)律;在0.002s時，粒子數(shù)目隨著空氣速度的增大而小幅度上升，因為空氣速度越大，導(dǎo)致油滴初始噴入直徑越小，油滴粒子數(shù)目越多;在0.004s時，少部分油滴已到達湍流強度較大的氣液交界面附近，合并能力增強，油滴數(shù)目減少;隨著噴油時間的推進，到達0.006s后，空氣速度越大，油滴數(shù)目越少。證明了圖9（a）所分析的結(jié)果：霧化空氣速度越大時，油滴的合并能力強于破碎能力。

4結(jié)論

本文基于浸沒頂吹過程，建立了柴油浸沒噴吹霧化過程計算模型，并驗證了模型的準確性和可行性。分析了柴油浸沒噴吹分布特性、不同空氣速度柴油浸沒噴吹霧化特性。得出如下結(jié)論：油滴以較小的霧化錐角分布在霧化空氣噴吹出的氣體空間內(nèi)，當油滴到達氣液交界面附近，由于此處湍流強度較大，油滴再次破碎，粒徑變小。氣液交界面附近的油滴沿著交界面向四周擴散，油滴碰撞合并能力增強，粒徑變大。霧化空氣速度越大，柴油初始破碎粒徑越小，0.0035s后，索特平均直徑減小速率越小，最終的油滴粒徑越大;0.0005s～0.0035s 范圍內(nèi)貫穿距增大速率越大，且最終達到的最大貫穿距越大。

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