等壓式割嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化畢業(yè)論文-全文預(yù)覽
【正文】 的速度差造成了射流霧滴的破碎，這正適合所研究的等壓式割嘴。湍流粘性系數(shù)公式為 ，這和標(biāo)準(zhǔn)模型相同?？蓪?shí)現(xiàn)模型的湍動(dòng)能及其耗散率輸運(yùn)方程為： 其中, ,在上述方程中，表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，是用于浮力影響引起的湍流能產(chǎn)生；可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；和是常數(shù)；，分別是湍動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。 （1）湍流模型（可實(shí)現(xiàn)模型）湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)定、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。不同的求解變量之間的區(qū)別除了邊界條件與初始條件，就在于,的表達(dá)是不同。 ①質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）連續(xù)性方程描述了流動(dòng)過程中流體質(zhì)量守恒的性質(zhì)。從數(shù)值計(jì)算的觀點(diǎn)，守恒型的方程有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）計(jì)算可壓縮流動(dòng)時(shí)，守恒型方程可以使激波的計(jì)算結(jié)果光滑而且連續(xù)，而應(yīng)用非守恒型方程時(shí)，激波的計(jì)算結(jié)果會(huì)在激波前及激波后引起解的振蕩，并導(dǎo)致錯(cuò)誤的激波位置； （2）保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果滿足守恒定律。 局部網(wǎng)格圖 整體網(wǎng)格圖 作為流體力學(xué)解析基礎(chǔ)的基本物理定律有：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。研究中計(jì)算區(qū)域選擇氣孔、混合孔部分以及割嘴下游200mm的噴霧區(qū)。幾何模型是網(wǎng)格和邊界的載體。但對(duì)于復(fù)雜的CFD問題，特別是三維CFD問題，Gambit并不是很有效，這是可以借助專用CFD軟件來完成幾何模型。Gambit具有良好的自適應(yīng)能力，能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格。 （Gambit）Gambit的主要功能有三個(gè)：構(gòu)成割嘴幾何圖形、劃分網(wǎng)格和指定邊界模型。 （6）負(fù)荷變化時(shí)霧化角幾乎不變。由于等壓式割嘴可通過增加孔來提高出力，故易于設(shè)計(jì)出高出力割嘴。 2 等壓式割嘴的數(shù)學(xué)模型 等壓式割嘴是一種混合式氣流霧化割嘴，霧化介質(zhì)除用蒸汽外也可以用壓縮空氣。（2）確定數(shù)值模擬的過程中各參數(shù)的設(shè)定值；數(shù)值模擬參數(shù)的確定是整個(gè)計(jì)算過程中較為復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，它包括液滴的碰撞破碎系數(shù)的確定、動(dòng)態(tài)系數(shù)的確定、最大時(shí)間步數(shù)的確定、時(shí)間步長因子的確定、顆粒軌跡的計(jì)算頻率等。③燃料油的霧性，最重要的是液體的表面張力研究表明，液體的粘性力一直液體表面上波的形成，并阻止由細(xì)絲進(jìn)一步現(xiàn)成顆粒，因此液體粘性力增加，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生具有較大尺寸的顆粒。R=1exp()這是一個(gè)累積分布函數(shù)，R表示直徑小于D的顆粒的累計(jì)體積分布率。 ① 霧滴尺寸（工程使用中主要用的幾種方法） ② 霧滴群尺寸分布在噴霧過程中所得到的霧滴或分散物料（粉狀、顆粒狀）是由大量的服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的粒子組成的。因高速蒸汽與油膜間的相對(duì)速度而產(chǎn)生摩擦與碰撞，并使橫向湍流脈動(dòng)增強(qiáng)，油膜表面形成彎曲的波狀紋，在油膜薄的位置被氣流撕裂成油滴。它反映了噴束體積大小，反映了空氣卷入率，是描述噴霧特性最基本最直觀特性圍觀特性主要是指噴束的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及分布情況，包括噴霧滴徑及滴徑分布、噴霧濃度及濃度分布、噴霧粒子速度及氣象介質(zhì)的湍流運(yùn)動(dòng)等。這種模擬研究的技術(shù)要點(diǎn)在于建立準(zhǔn)確描述液體介質(zhì)變形過程、液體與氣體作用過程及液體離散化為液滴的過程模型。取其中一束為對(duì)象，并忽略各油束之間的干擾，即著重討論單孔油嘴形成的噴霧場是現(xiàn)在研究噴霧的主要途徑。最近幾年，不僅割嘴結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)于霧化特性的要求水平也有很大的提高。冷態(tài)模型試驗(yàn)即通過采用模擬介質(zhì)，在冷態(tài)工況下對(duì)割嘴的流量特性。其原理主要是利用氣體介質(zhì)與液體介質(zhì)之間的相互擠壓、加速或剪切作用，將液體霧化在較低的油壓下可獲得良好的霧化效果，對(duì)霧化高粘度液體也有很好的霧化質(zhì)量，但它還有霧化能量利用率低，氣體能量損失較大，霧化用氣量較大等不足。一般來說，三種割嘴各自具有以下特點(diǎn)： A直射式割嘴是最早被應(yīng)用的割嘴形式，結(jié)構(gòu)十分簡單，是利用高壓液體直接經(jīng)過一小孔射到氣流中從而完成霧化的割嘴。另一類則是將低速運(yùn)動(dòng)的液體燃料置于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的氣體介質(zhì)中，如氣體霧化割嘴。本文主要研究液體燃料割嘴，它的主要功能是將燃料霧化成細(xì)小的液滴，以便更快蒸發(fā)、更快與空氣混合。按照工作介質(zhì)的不同，有燃料割嘴，空氣霧化割嘴以及固態(tài)燃料燃燒裝置的割嘴。為了獲得更大的相對(duì)速度，一類割嘴是將液體燃料以較高的速度噴入低速運(yùn)動(dòng)或靜止的主要研究液體燃料的割嘴，如直射割嘴、離心割嘴、旋轉(zhuǎn)割嘴。近年來割嘴得到的了廣泛的應(yīng)用。圖11 直射式割嘴 B離心式割嘴，它是經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)使液體沿切線方式注入，而以旋轉(zhuǎn)的錐形液膜形式噴出的割嘴，它霧化能耗小，運(yùn)行可靠，但工作范圍也不是大，因?yàn)槠潇F化主要靠液體燃料的較高流速，若流體粘性大，摩擦阻力造成的壓力損失也較大，此時(shí)霧化質(zhì)量也差，相應(yīng)的需要更大的流速，必須使供油壓力也增大；圖12 離心式割嘴 C氣流式霧化割嘴主要包括氣體輔助化割嘴、氣爆霧化割嘴、氣泡霧化割嘴幾種形式。 從燃燒裝置到現(xiàn)在幾千年內(nèi)，燃燒器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)主要是靠實(shí)驗(yàn)，包括近代發(fā)展起來的冷態(tài)模型試驗(yàn)、熱態(tài)模型試驗(yàn)和全尺寸裝置實(shí)驗(yàn)。熱態(tài)模型試驗(yàn)即在熱式條件下進(jìn)行割嘴特性研究，近年來熱態(tài)試驗(yàn)的報(bào)道逐漸增多，這些試驗(yàn)通過透明窗對(duì)割嘴下游燃燒流場實(shí)現(xiàn)可視觀察，通過光學(xué)拍攝得到割嘴霧化過程圖像及燃燒流場中液滴運(yùn)動(dòng)和組分分布等信息。目前應(yīng)用最廣泛的事多孔噴油嘴，其中每一孔都產(chǎn)生一束噴霧。這類研究主要分兩類：一類是通過對(duì)割嘴下游已經(jīng)霧化完畢的液滴群在實(shí)際流場中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬進(jìn)行研究；另一類通過模擬割嘴內(nèi)部流動(dòng)過程，進(jìn)行霧化過程的仿真。宏觀特性主要是指噴束的幾何輪廓形狀及其在空間的發(fā)展情況，由噴霧錐角和貫穿長度等幾何參數(shù)來衡量。在混合室內(nèi)油流被高速蒸汽射流沖成中空環(huán)狀油膜，油膜附著在壁面并向下流動(dòng)。人們研究和提出了多種霧滴尺寸評(píng)定方法。 單峰分布的顆粒系 多峰分布的顆粒系 （RosinRammler(RR)函數(shù)）RR分布函數(shù)，它是由Rosin和Rammler于1933年研究磨碎煤粉顆粒的尺寸分布時(shí)提出的，后經(jīng)研究表明對(duì)大多數(shù)由破碎形成的顆粒均能用此函數(shù)來表示，它的表示為。在使用蒸汽時(shí)，蒸汽的熱量在割嘴出口處大量釋放出來，使油滴迅速蒸發(fā)而汽化，達(dá)到最理想的霧化程度；在使用壓縮空氣時(shí)，即使是經(jīng)過預(yù)熱的空氣，在割嘴出口處放出的顯熱也有限，達(dá)不到使用蒸汽的效果。 本文的主要工作和研究內(nèi)容本文在文獻(xiàn)中對(duì)等壓式割嘴噴霧實(shí)驗(yàn)的前提下，運(yùn)用數(shù)值分析的方法對(duì)等壓式割嘴進(jìn)行大量的數(shù)值研究，內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：（1）在割嘴經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上，建立三維的割嘴噴霧模型；對(duì)割嘴計(jì)算區(qū)域幾何模型和數(shù)值模型的建立分別進(jìn)行具體的確定和選擇；幾何模型的建立中，決定計(jì)算的準(zhǔn)確性與收斂性的空間網(wǎng)格劃分是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)；數(shù)字模型的建立中，對(duì)控制方程的離散格式以及Simple算法等都進(jìn)行了詳細(xì)的說明。在本課題中運(yùn)用圖像和曲線圖兩種方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表達(dá)，以有效的判斷計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和變化規(guī)律，進(jìn)而了解所研究割嘴的噴霧特性。這種割嘴的油大部分沾在混合孔壁上，形成油膜，受霧化介質(zhì)的作用而加速從噴口噴出，形成環(huán)狀油膜，燃油破碎成霧滴。 （3）割嘴單只出力大。其霧炬的索特爾平均直徑可達(dá)50微米左右，且在任何出力下均能保證良好的霧化質(zhì)量。這使得其與機(jī)械霧化割嘴比較，使用期限較長。它可以生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格等多種類型的網(wǎng)格。Gambit本身提供了幾何建模的功能，只要模型不太復(fù)雜，一般可以直接在Gambit中完成幾何模型。生成網(wǎng)格過程：無論結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，都需要按照下列過程生成網(wǎng)格： （1）建立幾何模型。為模型的每個(gè)區(qū)域指定名稱和類型，為后續(xù)給定模型的物理
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