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1、哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol. 42 No. 3Mar. 2010第42卷第3期20 1 0年3月半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟陈国庆，高继慧，高建民，秦裕琨(哈尔滨工业大学燃烧工程研究所，哈尔滨150001 ,chengqhit 163. com)摘要：对压力旋流式脱硫雾化喷嘴雾化特性进行了数值模拟研究，分析了各因素对雾化液滴粒径的影响, 得到了喷嘴下游流场内液滴粒径和速度空间分布计算结果表明：雾化液滴粒径与雾化压力和喷嘴直径成正 比，与雾化介质黏度和表面张力成反比；液滴速度沿轴向方向急剧衰减，在距喷嘴200
2、 mm处几乎不发生变 化，而在径向方向上呈中心低，边缘高的分布；在破碎和聚合的作用下，液滴粒径沿轴向方向呈先减小、后增 加的趋势，大颗粒主要集中在雾炬外围试验结果与计算值基本吻合.关键词：压力雾化；雾化特性;半干法；数值模拟中图分类号：TK224. 1文献标志码：A文章编号：0367 - 6234(2010)03 - 0437 - 05Numerical simulation on atomizing performance of pressureswirl nozzle for semi-drying FGDCHEN Guo-qing, GAO Ji-hui, GAO Jian-min, Q
3、IN Yu-kun(Combustion Engineering Research Institute9 Harbin Institute of Technology, Harbin 15001,China,chengqhit 163. com)Abstract: The numerical simulation on spray characteristic of pressure swirl nozzle was carried out, and the main factors effecting the atomizing performance of the nozzle were
4、studied. The distributions of velocity and diameter of droplets were obtained at different special sections. Simulation results were compared with the ex perimental results. The simulation results indicate that the droplet size is proportional to pressure and nozzle diameter, and inversely proportio
5、nal to viscosity and surface tension of liquid. Along the spray axis, droplet velocity decreases acutely, and keeps steady at the downstream of 200 mm. Along the radial direction t The axial velocity of droplet in the center is lower than that on the edge, where the droplet size is maximum. Due to d
6、roplet collision and breakup, the droplet size decreases first, and then slowly increases. The simulation Te suits are in good agreement with experimental results.Key words： pressure atomization;spray characteristics； semi-drying FGD； numerical simulation哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHN
7、OLOGY哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY碎和聚合到目前为止，还没有切实有效的实验半干法烟气脱硫技术的共性特点是工艺过程 中水的适量介入，对于典型工艺而言,其介入方式 是将水或浆液雾化成一定粒径的液滴，与烟气进 行传热传质，将S02以稳定硫酸盐的形式固定下 来在此过程中，喷嘴的雾化特性直接决定了液滴 在塔内的有效停留时间和脱硫塔的安全稳定运 行了解脱硫塔内雾化液滴的分布及蒸发特性，提 高喷嘴的利用效率是进一步优化半干法脱硫工 艺、提高设备运行的稳定性和脱硫剂利用率的有 效途径之一.近年来，许多学者对喷嘴的液滴分布特性及 应用进
8、行了相关的研究雾化液滴在运动过 程中，在气流剪切力、曳力等力的作用下发生二次哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY方法可以观测到这一重要的复杂变化过程，而采哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY收稿日期：2008-12 - 29.用数值模拟方法结合雾化液滴碰撞和破碎模型,基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA05Z307). 作者简介：陈国庆(1984-),
9、男，博士研究生；可以有效经济地研究液滴的雾化及在气相中破秦裕琨(1933-)，男，教授,博士生导师,工程院院士.碎、聚合、运动过程.本文针对压力旋流式雾化喷嘴建立液滴雾第3期陈国庆，等:半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟441FD(u - U|) +化、碰撞和破碎的数学模型,分析了雾化工质及喷 嘴运行参数对雾化颗粒粒径的影响，得到了喷嘴 下游区域液滴速度和粒径分布，计算结果与试验 结结果吻合良好.1数学模型1.1气相控制方程在计算中,将烟气作为连续相介质处理,在欧 拉坐标系中采用标准K - 双方程模型，使用 SIMPLE算法求解.气相控制方程通用形式可表示 如下：(呼 + div(pU(t)
10、 = div(Tgrad(/) + S.式中为通用变量,为广义扩散系数,为广 义源项.1.2气液两相流模型喷嘴雾化过程涉及到液滴和烟气的两相流 动,本文在计算过程中,将雾化液滴作为离散相处 理,液滴在烟气中运动时，受到气相曳力、液滴自 身重力.Basset力等共同作用，在本文计算中只考 虑曳力和重力根据牛顿第二定律可以得到液滴 运动方程如下：-PPi 式中：Fd(叫-uj为单位质量曳力;叫为气相速 度叫为气相密度宀 为液滴速度切 为液滴的 密度.1.3雾化模型根据喷雾过程的发生和发展，将雾化过程分 为两个子阶段，分别称一次雾化和二次雾化木文 根据现有理论对上述两个阶段分别采用线性不稳 定液膜雾
11、化模型和TAB破碎模型求解液滴雾化 过程.Taylor认为雾化是由液膜的不稳定而引起 的液滴从喷嘴喷出后形成液膜，液膜表面受到扰 动产生波，且波长逐渐增加直至半个波长或整个 波长的液膜被撕裂形成线状液膜,然后在液体表 面张力的作用下收缩成液滴所以，首先引起液膜 不稳定波动并导致液膜破碎的临界波长值是决定 和影响雾化液滴粒径的主要因素，表示如下：如g - A丿式中：为液滴表面张力;“I为液滴粘度.当扰动 波的波长小于该临界波长时，扰动波增长为负，波 幅迅速衰减;反之迅速增加.本文采用泰勒类比模型来求解液滴的二次破 碎，将液滴的变形类比为在外力作用下的有阻尼 弹性变形，服从有阻尼强迫振动方程.并用
12、量纲为1的位移y来判断液滴是否破碎分裂.y的数学表达式如下:y = x/(Cbr),式中:x为实际液滴赤道与其为球形时赤道的两 者之间的变形位移，为液滴的半径,G为经验常 数,通常取0.5.当y 1时，液滴发生破碎分裂对于无阻尼液 滴,若假设相对速度不变,通过对受迫、有阻尼振动 控制方程的泰勒类比和无量纲化可以求解yy(z) = We + e(- Wec)cos(a)t) +丄(临+儿-吹)sinS)e) (o(lttA /分裂后的液滴粒径与速度，按0纵ourke和 Amsden5提岀的分裂前后能量守恒求出.1.4碰撞模型为减少计算量,将雾化液滴分成若干液滴组, 各液滴组内液滴的速度粒径分布相
13、同液滴在碰 撞过程为两两液滴组碰撞,且为一个瞬时过程,碰 撞的结果分为:合并、反弹及破碎当表面力占主 导时将会合并，当动能占主导时将会发生分裂.由 于喷嘴雾化液滴间相对速度较小，本文仅考虑 液滴合并和反弹两种情况关于液滴碰撞的具体 分析详见参考文献7和8.2计算域及边界条件本文计算对象为半干法脱硫工艺中使用的压 力旋流式雾化喷嘴，喷嘴出口直径4 nun,雾化压 力为4 MPa,喷嘴流量为6.0 kg/h,雾化介质为 水，初始温度为300 K.本文雾化区域的计算域是 室温、常压条件下直径为200 mm,高为700 mm的三维圆柱反应器.反应器内部气流速度模拟脱 硫塔内烟气流速.在喷嘴岀口液滴稠密
14、区域，液滴的运动存在 较大的随机性，液滴的碰撞是一种不可避免的行 为液滴的数密度是影响液滴碰撞的主要因素，在 计算过程中主要受网格数量的影响，因此，为了降 低计算结果对网格的依赖性，本文在喷嘴岀口区 域采用网格局部加密法,减小该区域网格尺寸液 滴粒子的加入是通过对粒子初始位置随机分布的 取样来实现的,为了降低计算结果对液滴组的依 赖性,本文在计算硬件条件允许的条件下将液滴 组分为10 000个.在反应器壁面上取流体速度和 相关紊流参数为零,用壁面函数法处理边界层流场在计算液滴流场时，参照液滴在脱硫塔内碰壁 情况,本文按照文献9的边界处理方式,采用液 滴粘壁模式.3计算结果及讨论为了验证数值模拟
15、计算结果，本文分别采用 了 特纳和 Lewis-NukiyamaTanasawaZ 提出的试 验拟合式（分别标记为试验拟合结果1和试验拟 合结果2）与计算结果进行比较.3.1影响雾化液滴粒径的因素分析图1给出了不同雾化压力条件下，喷嘴雾化 液滴Sauter平均直径分布情况.由图中可以看出， 随着雾化压力的增加，液滴平均粒径降低，且随着 压力的增大，液滴粒径衰减程度降低分析原因认 为:对于压力式喷嘴,雾化压力主要使液体从喷嘴 出口高速流出,提高液膜的初始能量,在周围气体 的曳力等作用下,破碎成为液滴压力越大液体流 出速度越高，气液之间作用越强烈,雾化出液滴越 小但当雾化压力大于一定值时，雾化效果
16、提高得 就不明显了.因此，结合喷嘴运行的经济性，对于 雾化喷嘴存在一个雾化压力的最佳值另外，从图 中可以看出,数值模拟结果与喷嘴性能的试验拟图1雾化压力对雾化液滴粒径的影响图2给出喷嘴出口直径对雾化液滴平均粒径 薄,进而所形成线性液柱直径减小,破碎后形成的 颗粒粒径减小.d/mm图2喷嘴出口直径对雾化液滴粒径的影响的影响.可以看出，随着喷嘴岀口直径的增加，雾 化液滴的粒径减小,与喷嘴试验性能试验拟合公 式得岀的趋势相反分析原因认为:本文计算喷嘴模型中所定义的喷嘴岀口直径与实际喷嘴岀口直径概念上存在差异压力式喷嘴在雾化过程中，流体在旋流室内高速旋转，在固壁表面形成液膜最后经过喷嘴流出喷口，因此在
17、旋流室和喷嘴 出口中心区就会形成空气芯本文计算雾化模型中所给的喷嘴岀口直径是指空气芯直径因此，在 雾化工质水质量流量和雾化压力不变的情况下, 喷嘴出口液膜的速度保持不变，液膜的截面也保 持不变若增大液膜的内径，则必然导致液膜变图3和图4给出了液滴的黏度和表面张力对 雾化液滴平均直径的影响可以看出，在雾化压力 和液体流量不变的情况下，随着黏度和表面张力 的增加，喷嘴雾化液滴粒径增加分析原因认为, 在压力式喷嘴雾化过程中，液体在旋流室内所具 有的切向速度和径向速度是影响射流初始分裂的 关键因索液体的黏性越大,流体在旋流室内旋流 的程度就减弱，所形成的液膜也就较厚液膜经喷 嘴喷岀后要克服液体表面张力
18、而破碎形成线状液 膜，线状液膜再克服表面张力而收缩形成液滴, 因此,液体的表面张力越大，液膜或线状液膜分 裂、破碎就难于迅速进行,所形成的液滴也就比/x/(niPa*s)其次,在液滴二次破碎过程中,液滴在流场中 运动与气相发生作用,以表面张力、黏性力及惯性 力为一方的聚合力，使液滴紧紧团聚在一起，而以 空气阻力、曳力等为一方的破碎力使液滴进一步 分裂为细小的液滴,减小表面张力和黏性力都有 利于液滴的二次破碎，可以形成较小的液滴.由图3和图4还可以看出数值模拟计算的结 果与实验公式基本吻合.3.2喷嘴下游流场液滴速度分布情况，从图中可以看岀，随着轴向高度的增加，液 滴的平均粒径先减小，在到达10
19、0 mm后开始增 加分析原因认为，液滴自喷嘴喷岀后，在空间内 进行碰撞及二次破碎过程.由图7可以知在距离 喷嘴出口较近高度内，液滴的速度很高，其韦伯数 (We)较大，液滴碰撞后主要发生破碎.同时在此 区域二次破碎剧烈，因此，液滴的平均直径降低. 而随着高度的增加，液滴速度降低，二次破碎减 弱，液滴间的碰撞主要以聚合为主,因此液滴的直第3期陈国庆，等:半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟#5为喷嘴雾化轴向方向上液滴平均速度分径逐渐增大但与不考虑二次破碎的过程相比,液第3期陈国庆，等:半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟#布，从图中可以看岀,液滴以较高的速度从喷嘴喷 出，在沿轴向运动的过程中,受到
20、气相曳力及液滴 滴的增加缓慢，说明在此区段仍旧发生二次破碎 过程.第3期陈国庆，等:半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟#自身重力影响,速度急剧衰减,在200mm后液滴速度几乎与气相速度基本相同.80604020雾化压力2 MPa 雾化压力4 MPa雾化压力6 MPa-10010 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30 10 20 30100o o O5 5-0.10.10.30.50.7x/m图5沿喷嘴轴向方向液滴的速度分布图6给岀液滴轴向和径向速度沿着塔高在不 同截面径向的变化情况，由图6(a)中可以看岀, 在同一截面上液滴的轴向速度分布呈中心低，雾 炬边缘高的分
21、布特点，边缘最高速度可以达到 30 m/s,中心最低速度为10 m/s.且随着高度的 增加，雾炬边缘颗粒的速度逐渐降低，中心区域颗 粒速度逐渐升高到z = 500 mm后，液滴速度开 始趋于均匀分布分析原因认为，具有相同初始速0.4 0.20.4 0.20.4 02Vi /(m)0.4 0.20.4100-(a)不同截面上液滴轴向速度分布50O50-度的液滴自喷嘴喷出后，由于大液滴的惯性大，贯 穿能力强,速度衰减也就相对较慢,能很快进入雾 炬的边缘,而小液滴质量小，贯穿能力差,在气相120阻碍的作用下，速度迅速衰减,刚性变差,仅随气流流动,而非向四周扩散,因此造成雾炬中心区域 液滴粒径小,速度
22、小的分布特点.图6(b)为液滴的径向速度分布.可以看出,其分布呈中心高,边缘低的特点，说明中心区域颗 粒向四周扩散最剧烈沿轴方向呈径向速度呈先 增加后减小的分布特点，说明液滴的扩散强度沿2000.10.20.30.40.5x/m40E 8060100(b)不同截面上液滴径向速度分布 图6液滴速度沿径向变化第3期陈国庆，等:半干法压力旋流式喷嘴雾化性能数值模拟443轴向方向呈先增大后降低,最大值并不在喷嘴出 口部分，而是在距喷嘴300 mni左右区域.3.3喷嘴下游流场内液滴粒径分布图7为沿轴向方向液滴的平均粒径分布图7沿喷嘴轴向方向液滴的粒径分布图8为不同截面上液滴平均直径的径向分布 特征，从
23、图中可以看出喷嘴的雾炬基本为对称，在 喷嘴岀口，雾化中心区域颗粒较小,大颗粒主要分 布在雾炬边缘区域.随着距离喷嘴岀口截面高度 的增加，液滴粒径的分布逐渐趋于均匀分析原因 认为主要是由于随着高度增加,液滴速度降低，在 湍流扩散作用下，气液混合趋于均匀在距离喷嘴 300 mm截面上，液滴的平均粒径基本相同本文 计算结果趋势与文献11 实验结果基本吻合.图8不同截面上颗粒粒径的径向分布特征4结论1）雾化压力、喷口直径、液体黏度及液体表 面张力是影响压力旋流式雾化喷嘴雾化效果的主 要因素.喷嘴雾化液滴粒径与压力和喷口直径成 反比，与液体黏度和表面张力成正比数值模拟与 经验计算结果基本吻合.2）本文所
24、选雾化模型中的喷口直径是指空 气芯直径，与经验式中喷口直径意义不同，趋势 相反.3）液滴自喷嘴出口喷岀后速度急剧衰减，在 距喷嘴出口 200 mm处,气液速度基本相等.由于 液滴破碎及相互间碰撞聚合，液滴平均粒径沿塔 高方向呈先减小后增加的分布趋势液滴的轴向 速度沿径向呈中间低四周高的分布，随着高度增 加，中心处速度增加在喷嘴下游流场中大颗粒主 要分布在雾炬的边缘，小颗粒主要集中在雾炬的 中心.参考文献：1 刘联胜，吴晋湘，杨华，等.气泡雾化喷嘴颗粒平均直 径经验公式的拟合J燃烧科学与技术，2002,8 (5);464 - 467.2 钱丽娟，熊红兵，林建忠.湍流雾化射流液雾粒径分 布的数值模
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