喷嘴雾化性能测试实验及计算机模拟

陈聪++陈琴珠

摘 要：雾化喷嘴广泛应用于各类喷雾式反应装置中。为了获得具备高效雾化性能的喷嘴结构形式，设计搭建了一套喷嘴雾化性能测试实验系统，并结合CFX软件对三种不同结构形式的压力旋流式喷嘴的雾化特性进行实验分析和内部流场数值模拟。研究结果表明螺旋槽式喷嘴的雾滴平均直径SMD较小，喷雾锥角适中，且喷嘴出口速度分布均匀，能够形成喷雾质量较好的实心锥喷雾。

关键词：雾化喷嘴 索特尔平均直径 数值模拟

中图分类号：v231 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0115-03

雾化喷嘴广泛应用于化工喷雾式反应器中，其目的是将液相工质雾化成细小的雾滴后分散到气相环境中，由于雾化后的液滴尺寸较小（一般为微米级别），使得液滴比表面积增大，从而加快气液两相的传质传热效率[1]。喷嘴的雾化特性受到喷嘴结构形式、喷射压力和外界因素等综合因素的影响[3]，通过实验或数值模拟手段研究喷嘴的各个雾化性能参数，是获得高效雾化喷嘴的一个关键所在，也可为工业应用中喷嘴的选型提供依据。

1 实心锥形雾化喷嘴

喷嘴的雾化性能包括流量特性、雾化形态、喷雾锥角、喷射速度、雾滴尺寸及其分布等几个方面[4]。对于外循环喷雾式反应器而言，由于气相充满整个反应器，且需求的喷射流量较大，因此喷雾式反应器中要求雾化喷嘴具备以下特点：低压差大流量；雾化锥角较大的实心锥形喷雾（90～120°）；雾滴粒度较小（300μm以下）。

雾化喷嘴的结构形式多种多样，由于反应器中没有外加动力装置，多选用压力旋流式喷嘴。该实验中根据低压大流量的要求，设计选用了三种常见的压力旋流式实心锥雾化喷嘴，分别为离心压力式喷嘴[5]、螺旋槽式喷嘴[6]、实心X型喷嘴[7]，各喷嘴的结构形式如图1所示。通过实验研究和数值模拟手段分别测试各喷嘴的雾化性能。

2 喷嘴性能测试实验系统

为了研究分析三种实心锥喷嘴的雾化性能，设计了如下图2所示喷嘴性能测试实验系统。该系统由移动水箱、循环泵、转子流量计、雾化喷嘴、激光粒度分析仪等构成。为了便于数据采集，在移动水箱两边开设了两个测试孔，利用高速相机拍摄喷嘴雾化后的形态，并用较为先进的激光粒度分析仪对雾滴粒度参数进行分析测试。

3 实验结果及分析

3.1 流量特性实验结果分析

雾化喷嘴的流量特性（喷射压力—流量关系）是其能否适用于特定工况下的先决条件。通过实验，测得三种雾化喷嘴的最大喷射流量均在3.2左右，图3为喷射流量在2.0～3.2时几种喷嘴的喷射压力随流量的变化曲线。从图中可以看出，随流量增大，所需的喷射压差也增大，且压力与流量之间的关系基本满足，即喷射压力与流量的平方成正比。横向比较，当喷射流量相同时，离心压力式喷嘴的喷射压差最大，螺旋槽式喷嘴次之。

3.2 雾滴粒度及其分布

实验中利用目前较为先进的分体式激光粒度分析仪对喷嘴形成的雾滴尺寸进行在线实时测量，其原理是通过分析激光穿过喷雾区域后所形成的散射光强度，从而反推计算出雾滴尺寸。利用分析仪自带的粒度分析软件可准确且直观的得到所测喷雾区域的索特尔平均直径SMD，图4为三种喷嘴的SMD随流量变化的关系曲线。从图中可看出相同流量下，螺旋槽式喷嘴的SMD最小，且随流量增大SMD明显减小，最小值可达234μm；实心X型喷嘴次之；离心压力喷嘴的SMD最大，最大值在307μm。

除了平均直径，激光粒度分析仪中也可分析得到雾滴群中各个尺寸的雾滴占雾滴总体积的累积百分比，即特征直径。其中D0.1、D0.5和D0.9分别表示在比该直径小的所有液滴的体积占全部液滴总体积的百分比为10%、50%和90%。为了反映雾滴粒度的分布范围，引入“相对尺寸范围”这一概念对液滴尺寸的发散程度进行指征，其定义为：

值越小，表明雾滴尺寸分布越窄。分别计算各喷嘴在不同流量下的相对尺寸范围，结果如表2所示。从表中的数据可以看出：对单个喷嘴而言，随流量的增大而有所增加，这是由于喷雾量的增加导致雾滴数目增多；横向比较，离心压力喷嘴和螺旋六槽喷嘴的较小，证明这两种喷嘴的尺寸分布较窄。

4 计算机数值模拟研究

由于喷雾的复杂性和实验条件的限制，无法通过实验测试雾化喷嘴在不同流量下的出口速度。为了得到出口速度参数，文中利用CFX软件对雾化喷嘴的内部流场进行数值模拟，并对模拟结果进行分析。图5、6、7分别为三种喷嘴在时的内部流场和喷嘴出口速度分布云图。对比图中的流线和速度值可以看出：

（1）离心压力喷嘴出口速度较大，最大速度可达43m/s，但是速度在出口截面的分布较为杂乱，尤其在四周出现了两个速度值小于10m/s的骤减区域，造成液束分布不均匀。

（2）螺旋槽式喷嘴中，流体在喷嘴内沿四周的圆弧槽流动，在螺旋槽的作用下形成同时具有切向速度和轴向速度的流线进入旋流室，流线无回流现象。喷嘴出口的最大速度在26m/s左右，速度云图呈明显的环状分布，最大速度在中心处，但没有明显的速度较小区域，分布较为均匀。

（3）实心X型喷嘴的流线是形成了两股斜向交叉的液流，具备一定的切向速度然后进入旋流室。喷嘴出口速度较小，最大只有19m/s；速度云图呈一定的椭圆环形分布，而且最大速度在出口的边缘处，速度值由外而内逐渐减小，分布均匀度不如螺旋槽式喷嘴，但优于离心压力喷嘴。

5 结语

（1）离心压力式喷嘴的流动特性较好，同一流量下的喷射压差最低。但该喷嘴的雾化锥角较小，在85°左右，且喷嘴出口中心处喷射速度过大，使得形成的实心锥喷雾多集中于中心处而不分散。同时离心式喷嘴的雾滴尺寸分布范围最窄，即雾滴尺寸较为集中，但是液滴平均直径SMD最大，雾化效果较差。

（2）实心广角喷嘴的雾化范围最广，雾化角能够达到125°左右，随流量增加雾化角略有降低，但是形成的喷雾多集中于实心锥外侧，喷嘴出口速度较小，喷射距离较短。其雾滴粒度介于螺旋槽式和离心压力式喷嘴之间，最小雾滴平均直径为287μm。

（3）螺旋槽式喷嘴的综合雾化性能较好，其雾化角随流量增加而增大，可达100°以上，雾滴粒度随流量增加显著减小，SMD可达234μm，同时喷嘴出口速度分布均匀，雾化效果较好。

参考文献

[1] 田春霞，仇性启，崔运静.喷嘴雾化技术进展[J].工业加热，2005（4）：40-43.

[2] 马文斌，孙立宏.乙氧基化工艺的最新进展[J].精细石油化工，1997（02）：12-15.

[3] 于才渊，王宝和，王喜忠.喷雾干燥技术[M].北京：化学工业出版社，2013.

[4] 曹建明.液体喷雾学[M].北京：北京大学出版社，2013.

[5] 廖义德，邱鸿利，黄艳，等.离心喷嘴设计方法研究[J].石油化工设备，2003（3）：4-6.

[6] S.Nonnenmacher，M.Piesche.Design of hollow cone pressure swirl nozzles to atomize Newtonian fluids[J].Chemical Engineering Science，2000（19）：4339-4348.

[7] 周华，朱畅，范明豪，等.高压旋芯喷嘴的雾化特性[J].农业机械学报，2006（1）：63-66，58.

[8] 尹俊连，焦磊，仇性启，等.旋流喷嘴内部流场的数值模拟和实验研究[J].浙江大学学报（工学版），2009（5）：968-972.