气流雾化机理研究及二级雾化喷嘴开发

摘要

气流染色机是目前印染行业新兴的一种印染设备，它采用气流雾化的原理将染液雾化成小粒径颗粒并和进入雾化室的气流发生混合，加入雾状染料的气流随即进入导布室。在运动的过程中气流中的染液冲击布匹，粒径细小的雾化染液颗粒与布匹中的纤维充分接触染色，如此循环反复作用，最终使布匹染色。染液雾化的机理和水分雾化机理类似，受多种因素共同作用，包括外部环境因素（染液速度、气流速度、雾化区域压力等），染液属性（不同染液的密度，黏度等）。外部环境因素由喷嘴的结构参数（喷嘴染液出口直径、气流出口直径、染液出口与气流出口的间距）及工艺参数控制。　　本文通过数值模拟仿真和实验研究的方法对气流染色染液雾化过程中的喷气压力对雾化破碎特性的影响展开了研究。以气流染色机的气液两相二级雾化喷嘴内部的液流射流破碎过程为计算对象，以水流代替染液，说明气液两相二级雾化喷嘴在不同的喷气压力下液流射流雾化效果的影响。并通过后续的实验验证数学模型及仿真模拟结果的可靠性，本文研究的具体内容与所得结论如下:　　(1)介绍了气液两相二级雾化喷嘴气液两相雾化过程及特点，分别介绍了液流初次破碎和液滴二次破碎的原理和数学模型，对喷嘴雾化性能的评价标准进行简要说明，并对本文设计开发的气液两相二级雾化喷嘴进行了简单的介绍。　　(2)为了探究提高气流染色机雾化喷嘴雾化性能的方法，基于气液两相雾化原理，设计了一种新型气液两相染色雾化喷嘴。结合Fluent软件，分析了空气软管内部的速度流场分布、气液两相染色雾化喷嘴内部流场液流射流的破碎状态、不同空气压力下的初次破碎粒径分布曲线图和染液出口缝隙流场的大粒径液滴二次破碎状态。利用VOF模型、DPM模型和k-ωSST湍流计算模型计算液流射流的初次破碎，利用VOF模型和realizable k-ε湍流模型计算大粒径液滴的二次破碎。通过所得数值计算结果分析空气软管内部空气流场并阐述气液两相二级雾化喷嘴内部液流射流初次破碎和大粒径液滴二次破碎的过程。　　(3)设计并搭建了气液两相二级雾化喷嘴液流射流破碎的实验系统平台，通过高速摄像机拍摄液流射流初次破碎的高速摄影图，对实验所得高速摄影图进行总结分析，研究了在不同喷气压力下液流射流的初次破碎特性。根据高速摄影图，液流射流破碎的雾化锥角和穿透距离均随空气压缩机喷气压力的增大而增大，破碎剧烈程度也随着喷气压力增加而逐渐增加。但由于过高的喷气压力会增加能量的损耗，因此将喷气压力设定为0.6PMa。　　(4)通过实验结果与仿真结果的对比，发现实验与仿真数据有一定的吻合，所选的数值计算模型能够适用于液流射流的初次破碎计算。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景及意义

1．2染色工艺流程概述

1．3雾化喷嘴的分类特点

1．3．1压力式雾化喷嘴

1．3．2旋转式雾化喷嘴

1．3．3气液两相二级雾化喷嘴

1．4新型染液雾化喷嘴

1．5国内外研究概况及分析

1．5．1气液两相雾化喷嘴雾化特性研究现状

1．5．2国外研究现状

1．5．3国内研究现状

1．6研究内容与方法

第二章气液两相二级雾化喷嘴雾化破碎机理分析及喷嘴结构设计

2．1液流破碎雾化原理

2．2液流破碎雾化过程

2．2．1初次破碎机理

2．2．2初次破碎数学模型

2．2．3二次破碎机理

2．2．4二次破碎数学模型

2．3雾化性能评价标准

2．3．1索特平均直径

2．3．2雾化喷雾锥角

2．3．3穿透距离

2．4气液两相二级雾化喷嘴结构设计

2．4．1前喷嘴段结构设计

2．4．2内主流管结构设计

2．4．3套筒结构设计

第三章气液两相二级雾化喷嘴液流破碎数值结果模拟

3．1喷嘴流动模型的建立

3．1．1 VOF模型控制方程

3．1．2湍流模型控制方程

3．2数值仿真模拟前处理

3．2．1喷嘴和空气软管流场数学仿真模型

3．2．2网格划分

3．3空气软管流场数值模拟及仿真模拟计算结果

3．3．1空气软管流场仿真模型参数及边界条件设置

3．3．2空气软管速度流场数值模拟计算结果

3．4液流射流初次破碎数值模拟及仿真模拟计算结果

3．4．1气液两相二级雾化喷嘴液流初次破碎仿真模型参数及边界条件设置

3．4．2气液两相二级雾化喷嘴液流初次破碎数值模拟计算结果

3．5液滴二次破碎数值模拟及仿真模拟计算结果

3．5．1液滴二次破碎仿真模型参数及边界条件设置

3．5．2液滴二次破碎数值模拟计算结果

3．6本章小结

第四章气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验系统设计搭建及结果验证

4．1气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验平台的设计

4．1．1实验设备器材的选择

4．1．2气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验方案的设计

4．2气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验控制参数设置及流程操作

4．2．1气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验控制参数的设置

4．2．2气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验具体流程操作

4．3气液两相二级雾化喷嘴液流破碎实验结果与数据分析

4．3．1实验结果高速摄影图分析

4．3．2雾化锥角与穿透距离的分析

4．4气液两相二级雾化喷嘴实验数据与仿真结果对比

4．4．1雾化锥角

4．4．2穿透距离

4．5本章小结

5．1总结

5．2展望

参考文献

硕士学位期间的研究成果及发表的学位论文

致谢