旋流式喷嘴雾化特性研究

摘要

旋流式喷嘴是实现液体雾化的有效途径之一，与直射式喷嘴相比，它因结构简单、动力消耗低和中低压雾化效率高等优点而逐渐引起人们的重视，并逐步应用于矿井粉尘防治之中。但由于雾化过程的复杂性，目前对旋流式喷嘴的雾化特性还没有形成系统的认识，喷雾压力与喷嘴孔径的匹配也不尽合理，这已逐渐成为高效沉降粉尘的瓶颈。针对上述问题，本文采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，对旋流式喷嘴的雾化特性进行了系统性的研究，并对喷雾压力及喷嘴孔径进行了合理匹配。
　　在最大流量原理和动量方程法的基础上，结合角动量守恒方程、伯努利方程及连续性方程对旋流式喷嘴内流场的体积流量、切向速度分布及压力分布进行了理论分析，并推导得出相应的分布表达式。
　　应用Fluent软件对旋流式喷嘴进行了三维建模及网格划分，并基于RNGκ-ε模型及VOF方法对不同喷雾压力下不同孔径的旋流式喷嘴的内流场进行了数值模拟研究。研究表明：在似固体旋转区，液体的切向速度由0呈线性急剧增大，在势流旋转区，液体的切向速度近乎呈反比减小，邻近喷嘴内壁时又呈线性急剧减小到0；液体在喷嘴内壁处压力最大，喷嘴中心处压力最小，离喷嘴中心越近压力越小，且减小幅度愈发显著；沿喷嘴轴线方向，旋流室柱段到渐缩段的结构变化不会引起显著的压力损失，但切向速度有一定程度的减小，在渐缩段液体的切向速度逐渐增大，压力逐渐减小，从渐缩段向喷孔段运动的过程中，由于结构的急剧变化，液体的切向速度和压力均显著减小；喷嘴孔径为1.0mm、喷雾压力为5MPa时雾化效果最佳。
　　利用HX-6高速摄像机和DP-02激光粒度分析仪构建了喷雾实验系统，对旋流式喷嘴的雾化特性进行了实验研究。研究表明：雾粒SMD在雾场中随轴向距离的增大先急剧增大后迅速减小，在100cm之后渐趋稳定；雾粒SMD在雾流中心处最大，沿径向向外逐渐减小，距喷嘴较近的径向截面其雾粒SMD分布更为集中；喷雾压力、距喷嘴轴向距离、距轴心距离的增大以及喷嘴孔径的减小，都会使得雾粒SMD分布更趋集中、均匀；喷嘴孔径为1.0mm、喷雾压力为5MPa时雾化效果最佳，距喷嘴1m以外的区域雾粒更加细小、均匀，此区域雾化降尘效果更好。