基于流体交互性分析雾化喷嘴失效机理

石 亮， 张国俊， 李亚斌， 陈 新， 袁永年

（内蒙古利民煤焦有限责任公司， 内蒙古 鄂尔多斯 016100）

1 喷嘴失效现状

喷嘴失效是任一流体应用工程较为严重的事件，尤其是远离设计寿命的失效更是危害巨大，业界从物理结构、通过性、化学反应等逐个角度对这一现象的作用机理进行了研究，虽然取得了一定进展，但是几乎定位于外界客观原因，忽略了流体内因这一根本性因素，所以喷嘴失效依旧是业界难题。本文通过流体交互性研究，提出湍流是流体的基本形式，而层流和类层流实质是湍流的特殊形式，将喷嘴工作过程定位为湍流这一基本形态，依托交互性这一基本特征可解释许多流体现象，不仅丰富了流体交互性内涵，还从新的视角促进了湍流的研究和认识，发现了与交互性相对应的塑性因子作用的主要形式是能量的不同步输送或转化，这一交互状态条件下，通俗讲存在内能、势能、动能变化，严格讲遵循吉布斯自由能公式，多尺度、非均匀、具备能量叠加储存特性是交互性非对称特征之一；还发现了交互性是导致极端现象发生的基础。这些极端现象不仅导致原有喷雾系统崩溃，重要的是导致原有喷雾系统中核心设备的损坏和不可逆，如喷嘴等，立足流体的交互性去分析雾化喷嘴失效深层次原因意义重大。

2 现有喷嘴设计特征及流体运行

借助于计算机辅助设计CAD 以及计算流体动力学CFD 技术，可以方便设计出如图1 所示的工业化雾化喷嘴；从整体性能上看比第一、二代喷嘴有了质的飞跃，不论从容错性还是通过性都有了很大的提高，可靠性也提高很多，但是从交互性视野看雾化喷嘴失效可能依然存在，因为其设计思想依然基于层流和类层流，能量守恒公式如下：

图1 新型喷嘴

式中：p 为腔体中某一断面的压力；V 为该断面一定流速时对应的体积量；T 为流体温度；没有压缩过程的流体，摩擦力忽略时，可认为绝热过程，T 的值到达下一断面时，可保持不变，这一条件满足时，C 为常数。

这样，以层流转变为多尺度、存在能量剧烈变化的雾化现象需要人为构造导致非均匀性、条件特征明显的非线性生成机制，如图2 所示生成喷嘴的有限次频谱滤波雾化机制，并产生与有限次频谱滤波相对应的非线性流体运行特征，很明显这一机制能在一定范围内满足雾化需要，人造非线性特征明显，依托这些非线性叠加产生新的频谱满足雾化要求，在一定程度上满足了复杂性的要求。

图2 喷嘴的有限次频谱滤波雾化机制

3 喷嘴交互性特征分析

流体通过有限次滤波孔，这一交互过程中由于能量激烈转化，必然产生能量积聚行为，空间狭小，与能量积聚行为相对应流体形态变化也大，仅3～4 条固定非线性通道，不能接纳适应这一变化，因此形成的流体是湍流，而且交互存在多尺度，喷嘴的有限次频谱滤波稳定性很难保证这一交互有序进行，叠加时间因子这一不稳定性决定了雾化过程叠加了多样性和复杂性为特征的各种因素，由于这一多样性是建立在不稳定基础上的，决定了核心部件喷嘴的有限次频谱滤波雾化机制是不稳定的，根据普朗特流体阻力最小诱导原理，这一交互过程能量转化是无序的、低效的为自堵塞效应涡湍运行方式，极易改变了原有喷射机理。

流体喷嘴雾化过程作为一个动力系统考虑是最为方便的过程方程，设有一个系统S，在时刻t 的状态可以由x（t）表示，则在时刻t+Δt 的状态：

由式（2）可以具体分析时刻t 的喷嘴进入图1-2状态前与时刻t+Δt 的状态交互性进入图1-2 状态后，由于图2 喷嘴的有限次频谱滤波雾化结构堵塞效应产生了流体的非线性交换，这一过程的能量交换过程使得多余的能量对时刻（t+Δt）+Δt 的状态流体交互过程与时刻t+Δt 的状态交互性进入图1-2 状态后及时刻t 的喷嘴进入图1-2 状态前的状态均相关，很明显这一关系是无序的，尤其是存在能量的剧烈转换，这些能量不能转化为有序的位置能或者动能赋予有限次频谱滤波雾化结构；这样有限次频谱滤波雾化结构在时刻（t+Δt）+Δt 的状态表征的交互性就进入无序状态，随着这一过程的延续，有限次频谱滤波雾化结构实质处于无序工作状态，因为不会或者很难回到初始状态，即使到达初始状态，对应的结构状态也已经在非线性力作用下发生应变因此不会进入周期或者类周期工作状态。

多余的非线性力作用下，某种条件下有限次频谱滤波雾化结构其滤波功能几乎不能实现，不仅使得限次频谱滤波雾化结构流体交互性进入无序过程，更重要的是进入有限次频谱滤波雾化结构时流体多余的能量至始至终存在，决定了这部分能量将原有系统彻底改造，原设计建立的模型彻底失效，这样使得系统进入无序状态运行，结果只能是变形再变形直至彻底崩溃；因此交互性产生的能量是最大的不稳定因素。

4 喷嘴损坏机理分析

喷嘴通常工作于高压模式，能量传递通道不畅，交互过程能量转化是无序的、低效的为自堵塞效应涡湍运行方式，在进入通过有限次滤波孔时必然存在能量积聚及冲击现象，必然导致湍流并进入介尺度状态，任意扰动均可导致状态转换，因此喷嘴受到不均匀性力的过程及其频繁，冲击力叠加，喷嘴损坏概率很高，再叠加流通不畅，系统崩溃和喷嘴损坏就成为最常见的两种失效形式，很明显这两种失效形式任一种均是非常恶劣的事故，从这点出发，分析其根本原因是交互性指标确实造成的，这一物性指标不改善，改善流体的洁净性、喷嘴的抗冲击性等均是无济于事的或者收效甚微的工作。

机械变形损坏是喷嘴最后的体现形式，由交互性分析得知，这一变形的始作俑者是流体的塑性因子决定的，本身的通过性决定了非线性力的长期存在，也决定了变形的必然性，最后体现在喷嘴的失效上。这个损坏失效机理给出一个重要的启示，流体的洁净度和喷嘴的损坏性关联度很大，但是决定交互性因素不可忽视，决不能把通过性与洁净度的完全线性关联起来，因为交互性可能更接近于事实真相。

5 能量传递状态分析

如果把流体喷嘴雾化过程作为一个动力系统考虑，可以通过建立能量传递模型算子分析任意时刻系统的能量变化，在时刻t 的状态可以由x（t）表示，则在时刻t+Δt 的状态：

式（3）中T能量特征是非线性的、非连续的、非均匀的，这一过程不仅实现了能量输运，而且实现了能量的转化，很明显在该过程中几乎没有塑性变形，因此雾化过程中交互性是很差的，流体很难通过狭窄弯曲的通道，并实现雾化，从流体工作可靠性而言，雾化喷嘴可靠性不能满足应用要求，只能通过变化适应这一现状，雾化喷嘴的变化就是与原有设计对抗，结果只能是通过可靠性的降低适应这一变化。

流体状态能量变化遵循吉布斯自由能又叫吉布斯函数，（英Gibbs free energy，Gibbs energy or Gibbs function；also known as free enthalpy）是热力学中一个重要的参量，常用G 表示，其定义是：

式中：U 为系统的内能；T 为温度（绝对温度，K）；S 为熵；p 为压强；V 为体积；H 为焓。

这个过程是复杂的，因为能量交互存在剧烈的非线性，存在现有能量方程不能表达的能量转换模式和规律，存在能量的逆输送问题，必须正视这一现象，但是如果把这一过程看成暂态考虑这一不均衡问题在工程界就不是问题，间断化或者极值化设置对待这一问题，看绝大多数条件是守恒的，也是可以确定的，这就是多少年来的经验公式，更是大家的共识智慧，推动了社会的进步和技术发展，但是对于雾化喷嘴而言关注交互性肯定有助于喷嘴技术的进步和发展。

6 交互失衡分析

通过有限次滤波孔采用高压模式雾化喷嘴交互过程分析，可以发现体流体进入有限次滤波孔前，复杂体现在有限次滤波孔中交互和x（t）、t、Δt 因子条件下不确定因素累加，无序的流体尺度特征而言，配合以足够的动力，不仅让机械变形加剧和可靠性下降，甚至让设计依据数据直接作废，更让人惊奇的是能量变化让人始料不及，这些也可揭示“黑天鹅事件”的发生条件，一句话交互性能量积聚现象特别易于使流体进入介尺度的状态，当系统属于介尺度范畴时，任何一个干扰或者变动均可导致系统的坍塌，就此而言，喷嘴失效就是本交互态下一个极易发生的常态而已，这一分析也与现场喷嘴雾化现状非常吻合。

7 结语

忽略交互性设计的喷嘴是现有喷嘴可靠性差的主要原因，现阶段以节流模式为主再配合有限非线性通道模型予以修正，进行能量雾化转化模型建立的雾化喷嘴物理结构模型是薄弱的，该模型中流体的交互性特征很差且无规律可言，长期连续工作过程中流体很难体现喷嘴设计理论与应用的一致性，因此该理论指导下构造的物理模型雾化喷嘴其工业化效果很差；不能满足流体雾化应用需要，流体交互性在雾化喷嘴设计中的关键作用必须予以重视和体现，无疑流体塑性因子这一指标必须在实验和设计中放到一个重要的位置予以考虑。