单侧切向入口的离心式喷嘴流场特性研究

摘要

单侧切向入口的离心式喷嘴由于结构简单，安装维护要求低，常被用在海水淡化装置内的横管降膜蒸发器上。离心式喷嘴喷淋效果的好坏直接影响到整个装置的传热效率和稳定性，因此对离心式喷嘴内腔及外部流场特性的研究不可或缺。本文运用数值模拟的手段，对离心式喷嘴进行相关的模拟计算分析，为后续的实验研究奠定基础。
　　本文采用Fluent内的VOF(界面追踪法)方法对喷嘴内部的填充过程进行了三维数值模拟分析，并深入探讨了稳定工况下喷嘴旋流室、收缩段和出口段的速度特性，明确了液体进入喷嘴后的运动情况及空气芯的形成过程。经模拟分析得到的液相的切向速度在旋流室内充分发展，液相的整体速度大小在收缩段内得到提高，以及液相在扩张段内径向速度变大这一流场特性，对离心式喷嘴的结构改造具有实际指导意义。通过对顶部无特殊构造、顶部带有圆环导流片和项部带有螺旋导流片的喷嘴进行对比分析可知，顶部带有圆环导流片和项部带有螺旋导流片的喷嘴因为顶部结构对内部流场起到一定的扰动作用，在一定程度上减轻了流场的不对称性，为解决单侧切向入口的离心式喷嘴流场周向不对称问题提供了思路。通过改变离心式喷嘴的入口压力，发现当喷嘴的入口压力大于一定值时，出口液相的运动由惯性力主导，这时离心式喷嘴的喷淋锥角基本保持一定的角度不变，液膜厚度随着压力的增加而减小，即正常工作压力下离心式喷嘴的喷淋锥角由其自身结构决定，增加压力有利于液膜的破碎。将离心式喷嘴放大一定的倍数，通过对不同尺寸但几何相似的喷嘴进行分析比较得到，在一定范围的入口压力下，喷嘴内部空气芯所占比例相似，喷嘴出口的流场也呈现几何相似性，流场的速度大小和三维速度分布情况基本一致。由此看出放大一定倍数的喷嘴实验研究结果在一定的入口压力区间内适用于实际小尺寸喷嘴。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 喷嘴的发展与分类

1．2．1 喷嘴的发展

1．2．2 喷嘴的分类

1．3 国内外研究现状

1．4 存在问题

1．5 本文研究内容

2 数值理论

2．1 控制方程

2．1．1 连续性方程

2．1．2 动量方程

2．2 数值模拟模型

2．2．1 多相流模型

2．2．2 湍流模型

2．3 离心式喷嘴简化物理模型

2．4 数值模拟过程

2．4．1 模型网格的划分

2．4．2 边界条件设置

2．4．3 数值计算

2．5 数值计算敏感性验证

2．5．1 网格无关性验证

2．5．2 步长无关性验证

2．6 本章小结

3 离心式布液喷嘴内部流动特性的数值模拟分析

3．1 顶部带有螺旋结构的离心喷嘴的填充过程分析

3．2 喷嘴的内部流场流线

3．3 喷嘴的气液两相分布

3．4 稳定工况下喷嘴内部流场的特性分析

3．4．1 喷嘴内部流场的速度分布

3．4．2 喷嘴内部流场的压力分布

3．5 稳定工况下喷嘴内部流场的特性分析

3．6 本章小结

4 不同入口压力和不同放大倍数下喷嘴的流场特性研究

4．1 入口压力对喷嘴流场的影响

4．1．1 入口压力对喷淋锥角的影响

4．1．2 入口压力对喷嘴速度场和压力场的影响

4．1．3 入口压力对喷嘴出口液膜破碎方式的影响

4．1．4 入口压力对喷嘴液膜厚度的影响

4．2 不同倍数放大喷嘴的流场特性研究

4．2．1 入口压力改变时不同放大倍数的喷嘴流场的变化

4．2．2 相同入口压力下不同放大倍数的喷嘴流场的特性研究

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢