喷雾蒸发中单个液滴蒸发特性的研究

王　珍（中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京市100016）

喷雾蒸发中单个液滴蒸发特性的研究

王珍（中国华电集团科学技术研究总院有限公司，北京市100016）

本文以高温气流中单个液滴蒸发为对象，建立液滴与气流间的传热传质模型，分析单个液滴的运动过程和热质传递特性，计算获取了液滴直径和完全蒸发时间的变化规律。结果表明，相同液滴初始条件下，来流温度越高和速度越大，液滴与来流气体间的传热和传质过程越强，液滴完全蒸发时间越短，其中来流速度的影响主要体现在液滴刚刚进入气体的初期蒸发阶段，而来流温度则通过平衡阶段传热温差来影响液滴蒸发，且通过增大液滴与来流间速度差，即可强化液滴的非平衡蒸发过程。

液滴；蒸发；传热；传质；仿真计算

喷雾蒸发技术是利用雾化装置将原料液分散成细小的雾滴后，与流体介质接触蒸发的过程。系统深入研究单个液滴蒸发特性，分析各个因素对蒸发过程的影响，对理解喷雾蒸发技术很有必要。微细雾滴的热质传递行为是影响喷雾蒸发效率的关键因素，其包含传热和传质两个同时进行的过程。

孙慧娟等[1]对高温燃气中单个液滴的蒸发建立了数理模型，研究结果表明燃气温度越高，液滴最终达到的稳定平均温度越高，而燃气速度对液滴的稳定平均温度和完全蒸发时间没有影响。马力等[2]采用悬挂液滴的方对单液滴蒸发过程进行了实验研究，结果表明气流速度对液滴的蒸发影响有限，不宜单纯采取提高气流速度来大幅加快液滴的蒸发。卢江等[3]针对单个液滴在高温环境中的蒸发进行了研究，认为在液滴与所处介质之间有相对运动时，液滴与周围介质间的热量和质量传递会加强。刘乃玲等[4]建立了液滴蒸发非稳态阶段的数学模型，迭代求解表明，液滴非稳态阶段过程时间很短，液滴尺寸的变化很小。

本文以高温气流中单个液滴蒸发为对象，建立液滴与气流间的传热传质模型，分析单个液滴的运动过程和热质传递特性，计算获取了液滴直径和完全蒸发时间的变化规律。

1　计算模型

本文基于离散相模型进行液滴蒸发过程的仿真分析，以直径为20mm，长度为1000mm的圆管作为计算域，采用结构化网格划分，网格数量为867858个，经网格相关性验证满足研究需求。本文所研究液滴初始直径为50μm，圆管直径与液滴直径比为400，当液滴处于圆管中心线附近时，可认为边界层对液滴运动无影响。同时为了弱化圆管入口效应的影响，液滴喷入点设置在入口下游2m处。入口条件设置为速度入口条件，出口条件为压力出口条件，湍流模型采用k-ε模型，壁面为非滑移边界条件和绝热边界条件。液滴为纯水，液滴初始温度为323K。

本文分别针对不同来流温度（=443K，463K，483K，503K）、不同来流速度（V∞=10m/s，20m/s，30m/s，40m/s）、不同液滴初始速度（Vp，0=-20m/s，-10m/s，0m/s，10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，50m/s）计算了蒸发过程中液滴直径以及完全蒸发时间，获取了液滴蒸发行为特性。

2　结果分析

2.1来流流速V∞的影响（见图1）

图1　不同来流速度V∞下液滴完全蒸发时间τ（Vp，0=10m/s，Tp，0=323K，dp，0=50μm，T∞=443K）

图1所示为液滴初始速度Vp，0=10m/s，来流温度=443K时，不同来流速度V∞对应的液滴完全蒸发时间。对于相同的来流温度和液滴初始条件，随着来流速度的提高，液滴完全蒸发时间不断降低。因为来流温度确定时，液滴的平衡蒸发温度也确定了，而来流速度的影响并不大，因此来流速度对液滴蒸发的影响主要表现在液滴刚进入来流气体初期的非平衡蒸发阶段，即对于相同的液滴初速度，当来流速度越大时，液滴与来流气体之间的对流越强烈，伴随着传质和传热过程更强，因此液滴蒸发量越大。而本文所研究液滴尺寸较小（=50μm），在进入来流气体后很短时间（＜0.05s）液滴温度即达到平衡蒸发温度，因此虽然来流速度可以显著增强非平衡阶段液滴的蒸发效果，但因为非平衡状态维持时间较短，因此来流速度对液滴的整个蒸发周期的影响是有限。

2.2来流温度T∞的影响

以来流速度V∞=10m/s，液滴初始速度Vp，0=10m/s为例，当来流温度T∞=443K时，液滴完全蒸发时间=0.1361s，当T∞升高至503K时，减少至0.0929s。可见随着来流气体的温度升高，液滴完全蒸发时间将减小。主要因为随着来流气体的温度升高，液滴平衡蒸发阶段的传热温差增大，传热强度大，表明此阶段液滴蒸发量大，因此液滴完全蒸发时间减小。

2.3液滴初始速度Vp，0的影响

图2　不同液滴初始速度Vp，0下液滴完全蒸发时间τ（V∞=30m/s，Tp，0=323K，dp，0=50μm，T∞=443K）

图2所示为来流速度V∞为30m/s，来流温度为443K，液滴初始温度为323K，液滴初始直径为50μm时，不同液滴初始速度对应的液滴完全蒸发时间。对于外部环境条件相同的液滴，在其初始直径相同时，液滴的完全蒸发时间随着液滴初始速度呈现着对称分布的变化结果，而液滴完全蒸发时间最大的液滴初始速度对应着当地的来流速度，本文中采用圆管模拟液滴外部环境，由于边界层的影响，当圆管入口速度为30m/s时，液滴周围速度实际约为35m/s，因此液滴完全蒸发时间最大时对应的液滴初始速度为35m/s。

当液滴初始速度大于或小于当地来流速度时，液滴蒸发时间都将减小，因为当液滴速度与来流速度不一致时，由于液滴四周边界层中的对流作用，较相对静止状态时，液滴的传质过程被强化，更大的水分蒸发，因此蒸发速度也随着增大。同时，由图2可见，通过增大液滴与来流的速度差，可强化液滴的非平衡蒸发过程，而不需要一味的增大液滴的初始速度。

3　结论

本文建立了单个液滴在高温气流中运动和蒸发过程的仿真模型，分析了来流速度等因素对液滴蒸发行为的影响，总结出液滴蒸发影响因素的影响规律。相同液滴初始条件下，来流温度越高和速度越大，液滴与来流气体间的传热和传质过程越强，液滴完全蒸发时间越短，其中来流速度的影响主要体现在液滴刚刚进入气体的初期蒸发阶段，而来流温度则通过平衡阶段传热温差来影响液滴蒸发。

[1]孙慧娟，张海滨，白博峰.高温燃气中单个液滴的蒸发特性.西安交通大学学报，2008，42（7）：833～837.

[2]马 力，仇性启，王 健，郑志伟，易志勇，阎红巧.单液滴蒸发影响因素实验研究.现代化工，2013，33（1）：103～106.

[3]卢 江，余 敏，陶乐仁，赵吉哲.水滴蒸发的理论分析与蒸发时间的研究.上海理工大学学报，2003，25（1）：36～38.

[4]刘乃玲，张 旭.液滴蒸发过程理论分析及非稳态过程数值求解.制冷，2007，26（3）：45～48.

O642

A

2095-2066（2016）31-0265-02

2016-10-9

王 珍（1983-），男，工程师，博士，主要研究方向为高效多相流动仿真分析及节能减排技术研究。

王珍。