【正文】 十倍的霧滴群體。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。對(duì)于等壓式割嘴，按單孔割嘴模型試驗(yàn)，其霧化過程示意圖如圖17所示。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。噴霧混合特性包括宏觀和微觀特性。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。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，通過數(shù)值仿真進(jìn)行霧化過程研究成為一種重要的新興的研究方法。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(chǎng)是現(xiàn)在研究噴霧的主要途徑。近幾年來，由于激光測(cè)霧技術(shù)的應(yīng)用，使得由實(shí)驗(yàn)研究的到的一些實(shí)驗(yàn)或半實(shí)驗(yàn)公式日益完善，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)問題，改進(jìn)設(shè)計(jì)，霧化質(zhì)量水平有了很大的提高。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。實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)一般有：噴注壓力、介質(zhì)流量、液滴直徑、液滴速度、直徑分布等。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。因而，割嘴在冶金、石油、石化、電力，等現(xiàn)代化工業(yè)部門的生產(chǎn)發(fā)展中應(yīng)用非常廣泛。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。 A型割嘴的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。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(jiǎn)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。其中研究工作量最多，應(yīng)用最廣的是直射式割嘴、離心割嘴和氣動(dòng)霧化割嘴。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。一般情況下，相對(duì)速度越高，液滴的平均直徑越小。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。1緒 論割嘴是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民日常生活的流體機(jī)械，它在工業(yè)生產(chǎn)中燃燒裝置上的應(yīng)用尤其重要。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。通常認(rèn)為實(shí)現(xiàn)液體霧化的最有效途徑是提高液體與周圍空氣之間的相對(duì)速度。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。 1800年割嘴首次用于噴霧燃燒，到了十九世紀(jì)末期，割嘴開始在多種領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，如燃燒、干燥、洗滌、冷卻等。近年來割嘴得到的了廣泛的應(yīng)用。但有兩個(gè)缺點(diǎn)：①物化性能較其他類型割嘴差；②工作范圍也比較窄。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。現(xiàn)舉出幾種混合式割嘴如圖13,14,15,16所示： 圖13 外混式氣流噴嘴 圖14 Y噴嘴 圖15 內(nèi)混式噴嘴 圖16 氣泡霧化噴嘴 如今，又相繼出現(xiàn)了靜電割嘴、超音割嘴、風(fēng)力割嘴、震蕩割嘴、噴射割嘴等等。 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)。霧化特性及混合特性進(jìn)行研究，從而得到割嘴的工作性能變化規(guī)律。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(chǎng)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(chǎng)中液滴運(yùn)動(dòng)和組分分布等信息。但是由于霧化特性復(fù)雜，所以盡管從噴霧技術(shù)開始使用到現(xiàn)在已有將近一百年歷史，霧化理論仍然很緩慢，還沒有一個(gè)比較完善的霧化理論描述相應(yīng)割嘴的霧化機(jī)理。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。噴霧場(chǎng)即液態(tài)燃油經(jīng)過割嘴被噴霧燃燒室空間后，形成一個(gè)由液柱、油滴、油蒸汽和空氣組成的多相混合的場(chǎng)。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(chǎng)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。燃油鍋爐的噴霧混合特性通常是指噴出的油束與爐膛內(nèi)氣體介質(zhì)之間的混合特性，受到燃油噴射特性、噴油嘴位置、氣流運(yùn)動(dòng)、燃燒室尺寸和形狀等因素的影響。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(zhǎng)度等幾何參數(shù)來衡量。 液態(tài)燃油噴入燃燒室空間后，形成一個(gè)由液柱、油滴、油蒸氣和空氣組合的多相混合物的場(chǎng)，我們稱之為噴霧場(chǎng)。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)。只要相對(duì)速度足夠大，可使大油滴再撕裂破碎成更小的油滴，直至相對(duì)速度過小而不能使油滴破碎為止。人們研究和提出了多種霧滴尺寸評(píng)定方法。實(shí)驗(yàn)研究指出，顆粒直徑的分布，一般具有連續(xù)的特點(diǎn)，并且具有一個(gè)最大值。 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。 相同與不同k的RR分布函數(shù)數(shù)目頻度分布曲線 (2)霧化粒徑的影響因素研究表明，霧化效果隨各種因素的不同有不同的變化，其中影響最大的因素包括： ①割嘴結(jié)構(gòu)尺寸，其中尤其重要的是割嘴的出口尺寸割嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和型式對(duì)噴油中切向速度和徑向速度分量的大小有密切關(guān)系，同時(shí)對(duì)有流流經(jīng)割嘴的紊流擾動(dòng)強(qiáng)度有很大的影響，根據(jù)液體燃料的霧化機(jī)理可知，液體燃料離開割嘴時(shí)所具有的切向速度和徑向速度的大小對(duì)于噴霧特性有決定性的作用，因此割嘴結(jié)構(gòu)是影響霧化特性的一個(gè)重要作用。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。表面張力由于會(huì)組織液體表面的擾動(dòng)或變形，因而可以阻礙霧化過程的進(jìn)行，并組織表面波的生成，延緩絲條的形成過程，隨著表面張力的增加，霧化質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重惡化。 本文的主要工作和研究?jī)?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。（3）對(duì)割嘴出口下游場(chǎng)、噴霧場(chǎng)以及割嘴的噴霧特性、流量特性等進(jìn)行大量的理論分析：在割嘴下游流場(chǎng)的數(shù)值分析中簡(jiǎn)單的討論氣相流速對(duì)兩相流場(chǎng)分布的影響；割嘴的噴霧特性分析主要從割嘴的運(yùn)行參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行討論，并且討論割嘴出口下游截面霧化粒子的分布情況；另外，對(duì)割嘴的