從流體交互性視角研究霧化噴嘴的通過(guò)性特征

張國(guó)俊，郭建珠

（1.內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 霧化噴嘴研究現(xiàn)狀

霧化噴嘴是任一流體應(yīng)用工程過(guò)程較為普遍的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，業(yè)界從物理結(jié)構(gòu)、通過(guò)性、化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)角度對(duì)這一現(xiàn)象的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了一定進(jìn)展。筆者認(rèn)為這些分析基本基于牛頓流體范圍，或者是牛頓流體即將轉(zhuǎn)化為非牛頓流體狀態(tài)時(shí)刻，傳統(tǒng)觀念使得大家產(chǎn)生了這一習(xí)慣性認(rèn)識(shí)：湍流是各種系統(tǒng)應(yīng)該回避或者剔除的現(xiàn)象，因此由湍流導(dǎo)致的噴嘴失效現(xiàn)象的把握顯得有些多余，這一根深蒂固的思想是導(dǎo)致這一領(lǐng)域業(yè)界研究幾乎空白的直接原因，歷史上由經(jīng)典力學(xué)和純數(shù)學(xué)知識(shí)體系出發(fā)研究的理論力學(xué)與流體應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，不能解釋許多流體現(xiàn)象的癥結(jié)其本質(zhì)就是忽視湍流的影響所在。湍流作為流體的基本形式，而層流和類(lèi)層流實(shí)質(zhì)是湍流的特殊形式，而且這一觀點(diǎn)正在業(yè)界形成共識(shí)。普朗特邊界層效應(yīng)理論的提出，使得理論力學(xué)與流體應(yīng)用得到完美一致不僅促進(jìn)了水力學(xué)的進(jìn)步，更重要的是讓邊界層導(dǎo)致的非線(xiàn)性是流體運(yùn)行過(guò)程中不可或缺的重要形式成為人們的共識(shí)，也揭示了交互性這一基本特征是解釋許多流體現(xiàn)象的基礎(chǔ)，卡門(mén)渦街理論、柯氏小尺度湍渦結(jié)構(gòu)函數(shù)2/3 定律等等大大豐富了流體的交互性特征，同時(shí)促進(jìn)了湍流的研究和認(rèn)識(shí)，這些交互性不僅與流體的黏性相關(guān)也與塑性等物理量密切相關(guān)，把這一混合物性指標(biāo)定義為塑性因子，很明顯塑性因子作用的主要形式為能量的不同步輸送或轉(zhuǎn)化，塑性因子作用塑性因子作用于流體各狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，通俗講存在內(nèi)能、勢(shì)能、動(dòng)能變化，嚴(yán)格講遵循吉布斯自由能公式。多尺度、非均勻、具備能量疊加儲(chǔ)存特性是交互性非對(duì)稱(chēng)特征之一，但是因?yàn)樯淞鲬?yīng)用領(lǐng)域的要求重點(diǎn)在形成射流后放在融合性上，而且這一過(guò)程不僅復(fù)雜而且短暫因此大家在研究過(guò)程中將這一特征主動(dòng)弱化，僅認(rèn)為是一不確定的過(guò)渡過(guò)程，整體遵循“瞬態(tài)+平均的分析”經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型及代數(shù)化方程，其實(shí)質(zhì)是這一問(wèn)題在業(yè)界一直沒(méi)有予以重視和解決。本文擬以交互性為切入點(diǎn)研究霧化噴嘴的通過(guò)性特征，對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展初步研究和探討，以引起業(yè)界的關(guān)注及共鳴。

2 流體在霧化噴嘴中的交互性實(shí)驗(yàn)

首先搭建了基于壓力0.35～0.6 MPa 壓縮空氣為主動(dòng)力，輔助以壓力0.3～0.5 MPa 壓力水及氣水霧化為特征的ZPC-bz 型工業(yè)噴嘴作業(yè)系統(tǒng)。基于Pt100熱電阻溫度計(jì)量系統(tǒng)開(kāi)展對(duì)流體溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，其分辨率為0.01°，精度為0.05°；圖像采集系統(tǒng)為Canon-ixus 130；流體壓力及流量測(cè)試系統(tǒng)為分辨率0.1%的壓力變送器；流量計(jì)量裝置為渦輪傳感器為核心。

基礎(chǔ)流體1（壓縮空氣）是普通的工業(yè)氣體，其壓力0.6 MPa；通過(guò)ZPC-bz 型霧化噴嘴如圖1 所示為基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)。

圖1 基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

圖2 基礎(chǔ)流體2 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)流體3 由基礎(chǔ)流體1 和基礎(chǔ)流體2 組合生成新的人造流體——?dú)忪F湍渦流體；基礎(chǔ)流體1（壓縮空氣）是普通的工業(yè)氣，其壓力0.6 MPa，基礎(chǔ)流體2（壓力水）是普通的工業(yè)用水，其壓力0.3 MPa，基礎(chǔ)流體1 與基礎(chǔ)流體2 體積比為100∶1.69；其工作特征是可塑性好，流動(dòng)性較強(qiáng)，貫穿噴射角15°～36°，貫穿距離1.5～5.5 m 氣霧湍渦流體通過(guò)ZPC-bz 型霧化噴嘴，如圖3 所示為基礎(chǔ)流體3 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)。

圖3 基礎(chǔ)流體3 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

三種基礎(chǔ)流體究其黏性參數(shù)而言，區(qū)別不大，可近似認(rèn)為等同，尤其是基礎(chǔ)流體1 與基礎(chǔ)流體3 基本可以認(rèn)為等同，但是交互結(jié)果產(chǎn)生的流動(dòng)性圖像三者區(qū)別很大；霧化噴嘴中流體工作狀態(tài)分析如下：

首先，基于理想狀態(tài)或者亞理想狀態(tài)流體分析，可以依據(jù)流體連續(xù)性能量守恒定律得出：

式中：p 為腔體中某一斷面的壓力；V 為該斷面一定流速時(shí)對(duì)應(yīng)的體積量；T 為流體溫度；沒(méi)有壓縮過(guò)程的流體，摩擦力忽略時(shí)，可認(rèn)為是絕熱過(guò)程，T 的值到達(dá)下一斷面時(shí)，可保持不變，這一條件滿(mǎn)足時(shí)，C 為常數(shù)；當(dāng)兩界面積直徑比為20∶2、最小截面面積為3.14×1×1 mm2時(shí)，流量為1×104mm3/s，流體通過(guò)最小截面時(shí)的速度值為1×104/3.14×1×1=3184 mm/s；類(lèi)層流流體噴嘴中流體質(zhì)點(diǎn)瞬間最大速度為超音速流動(dòng)的理論依據(jù)；這一動(dòng)能瞬時(shí)能量是巨大的，該能量不僅能霧化流體，而且也能完成一些遠(yuǎn)超于邊界層效應(yīng)的工作。

其次，如果把流體噴嘴霧化過(guò)程作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)考慮，設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)S，它在時(shí)刻t 的狀態(tài)可以由x（t）表示，則它在時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)：

式（2）中T 為算子，其特征是非線(xiàn)性的、非連續(xù)的、非均勻的，這一過(guò)程不僅實(shí)現(xiàn)了能量輸運(yùn)，而且實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化，而且是基于流體塑性變形實(shí)現(xiàn)的，因此該算子T 復(fù)雜性遠(yuǎn)勝于卡門(mén)渦街理論、柯氏小尺度湍渦結(jié)構(gòu)函數(shù)2/3 定律，更不是邊界層混合長(zhǎng)度理論可以簡(jiǎn)單近似模擬實(shí)現(xiàn)，這一塑性變形是由多尺度能量系統(tǒng)決定的，因此該流體的物性應(yīng)由多因素決定，毋庸置疑這一塑性變化是其主要因素之一。很明顯這一塑性因子肯定與黏性有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)有關(guān)，但是其應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化和傳遞直接相關(guān)，用它來(lái)表征這與流體物性密切相關(guān)的交互性特征。

3 流體在時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化過(guò)程中能量的變化

流體的交互性特征，決定了由時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化的過(guò)程，其中Δt 可以取任意值，也可以取固定值，這一過(guò)程能量變化是劇烈的、非線(xiàn)性的、非對(duì)稱(chēng)性的、多尺度的、非均勻性的，但是遵循普朗特流體流動(dòng)誘導(dǎo)阻力最小原理，能量的變化滿(mǎn)足吉布斯自由能公式。

吉布斯自由能又叫吉布斯函數(shù)（英Gibbs free energy，Gibbs energy or Gibbs function；also known as free enthalpy），是熱力學(xué)中一個(gè)重要的參量，常用G 表示，它的定義是：

(1)白堊紀(jì)晚世周田組(K2z)。勘查區(qū)廣泛出露周田組，巖性主要由紫紅色含鈣頁(yè)巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾砂巖、砂礫巖組成韻律性基本層序。巖層上部為紫紅色砂巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化厚度5～10 m，地層傾向260°～290°，傾角20°～55°。底部為紫紅色巨厚層狀砂礫巖，砂礫巖礫石成分為石英、石英砂巖、石英礫巖等，礫徑1～20 cm。未見(jiàn)頂?shù)?，厚大?00.55 m。

式中：U 為系統(tǒng)的內(nèi)能；T 為溫度（絕對(duì)溫度，K）；S 為熵；p 為壓強(qiáng)；V 為體積；H 為焓。因?yàn)镠、T、S 均為狀態(tài)函數(shù)，所以G 也為狀態(tài)函數(shù)。

時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化過(guò)程中能量的變化ΔG 公式為：

實(shí)測(cè)：基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)流體溫度變化明顯T=7.1～10.0℃；基礎(chǔ)流體3—?dú)忪F湍渦流體空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)流體溫度沒(méi)有變化T=0～0.1℃；基礎(chǔ)流體2 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)T=0.3～1.5℃；這樣就很好理解流體通過(guò)ZPC-bz 型霧化噴嘴的通過(guò)性：由式（4）知，基礎(chǔ)流體3＞基礎(chǔ)流體2＞基礎(chǔ)流體1。

對(duì)應(yīng)的流體物性指標(biāo)通過(guò)ZPC-bz 型霧化噴嘴交互性：由圖1、圖2、圖3 知：基礎(chǔ)流體3＞基礎(chǔ)流體2＞基礎(chǔ)流體1。

4 研究流體交互性物理意義

交互性不僅體現(xiàn)了流體能量傳遞和能量轉(zhuǎn)化這一過(guò)程，而且還體現(xiàn)了這一轉(zhuǎn)化過(guò)程中一系列地力學(xué)過(guò)程，在這些力的作用下可能導(dǎo)致一些極端力學(xué)現(xiàn)象，很明顯流體交互性是研究這些極端現(xiàn)象的基礎(chǔ)。交互性由流體塑性因子決定的，氣水霧化就是通過(guò)氣將能量傳遞給水使水霧化，實(shí)現(xiàn)了如圖4 所示的價(jià)和電子運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)路與相態(tài)結(jié)構(gòu)變化。圖4 中，外橢圓表示橄欖狀球體，陰影表示價(jià)和電子在空間扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。

圖4 價(jià)和電子運(yùn)動(dòng)圖與物質(zhì)的相態(tài)

氣水霧化過(guò)程中，由于氣體將能量傳遞給水，水實(shí)現(xiàn)氣化不穩(wěn)定度增強(qiáng)，氣體溫度降低時(shí)體內(nèi)結(jié)構(gòu)元間價(jià)磁力相對(duì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)元間聚合力增大（鏈長(zhǎng)團(tuán)大），宏觀的表現(xiàn)就是黏度增大、表面張力增大。將氣水霧化流體的塑性因子（Pg）調(diào)節(jié)在一個(gè)合適值時(shí)，實(shí)驗(yàn)顯示，不發(fā)生壓力氣吹散粉塵現(xiàn)象，生成了組織性很好的擬序結(jié)構(gòu)易與微米級(jí)粉塵融合，物體的“剛性降低、塑性增加”成為氣水霧化人造湍流的領(lǐng)先指標(biāo)，氣水霧化人造湍流的第一性征：流態(tài)塑性發(fā)生了變化。

根據(jù)氣、水壓力比及渦旋生成裝置結(jié)構(gòu)特征計(jì)算推導(dǎo)其流動(dòng)特性：

以一個(gè)小的球形粒子為例，當(dāng)它正好位于一個(gè)勻速u(mài)（SI 單位：m/s）流動(dòng)的流體中時(shí)，遵循牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。

式中：mp為粒子的質(zhì)量，kg；q 為粒子的位置矢量，m；Ft為作用在粒子上的凈力或總力，N。

對(duì)于一個(gè)在流體中下沉的粒子，總力是重力Fx和曳力FD的總和：

式中：ρp為粒子的密度，kg/m3；ρ 為周?chē)黧w的密度，kg/m3；g 為重力引起的加速度（海平面以下約為9.8m/s2）；μ 為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；dp為粒徑，m；u 為周?chē)黧w的速度，m/s；v 為粒子的速度，v=dq/dt，m/s。

小的球形粒子動(dòng)能公式為：

氣水霧化渦旋流體的本構(gòu)關(guān)系及基本特征，水氣渦旋流體有一定的貫穿距離和覆蓋空間呈射流態(tài)，決定其本構(gòu)關(guān)系成立，即應(yīng)力張量和變形張量存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，這是流體的動(dòng)力與流態(tài)基本特征，這一表征公式具有復(fù)雜、非線(xiàn)性、非均勻的特點(diǎn)，其復(fù)雜性體現(xiàn)在塑性因子這一物性指標(biāo)上，能量轉(zhuǎn)化和傳遞是有規(guī)律的，與粒子的質(zhì)量及粒子的位置矢量q 密切相關(guān)。其實(shí)對(duì)任一斷面而言，塑性因子這一物性指標(biāo)上決定的粒子質(zhì)量及粒子位置矢量q 與擾動(dòng)關(guān)系更加密切和復(fù)雜而已，但是其運(yùn)動(dòng)與塑性因子這一物性指標(biāo)密切相關(guān)，由塑性因子這一物性指標(biāo)決定的交互性所決定的；因此流體的通過(guò)性必須考慮流體的交互性，是建立在流體的交互性物性指標(biāo)之上的，研究流體交互性物理意義就在于揭示了流體的通過(guò)性由流體交互性所制約和決定這一物理現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）雖然黏性指標(biāo)重要但是對(duì)于湍流流體而言，多尺度、多因素決定的塑性因子更重要。

2）交互性決定了流體的通過(guò)性，黏性系數(shù)只能在層流和類(lèi)層流中決定流體的通過(guò)性。

3）交互性反映了流體能量的傳遞和轉(zhuǎn)化這一復(fù)雜過(guò)程，因此這一指標(biāo)是重要的，不能忽略的。

4）交互性參數(shù)可以用來(lái)解釋和描述一些復(fù)雜的流體現(xiàn)象。

5）揭示了流體的通過(guò)性由流體交互性所制約和決定這一物理現(xiàn)象。