（毕业设计论文）等压式割嘴的结构优化设计.doc

1 绪 论 割嘴是一种广泛应用于工业领域、交通运输、农业生产以及人民日常生活的流体机械，它在工业生产中燃烧装置上的应用尤其重要按照工作介质的不同，有燃料割嘴，空气雾化割嘴以及固态燃料燃烧装置的割嘴本文主要研究液体燃料割嘴，它的主要功能是将燃料雾化成细小的液滴，以便更快蒸发、更快与空气混合通常认为实现液体雾化的最有效途径是提高液体与周围空气之间的相对速度一般情况下，相对速度越高，液滴的平均直径越小为了获得更大的相对速度，一类割嘴是将液体燃料以较高的速度喷入低速运动或静止的主要研究液体燃料的割嘴，如直射割嘴、离心割嘴、旋转割嘴另一类则是将低速运动的液体燃料置于相对高速运动的气体介质中，如气体雾化割嘴1.1 割嘴的发展与前期的研究1.1.11.1.1 割嘴的发展割嘴的发展1800 年割嘴首次用于喷雾燃烧，到了十九世纪末期，割嘴开始在多种领域得到普遍应用，如燃烧、干燥、洗涤、冷却等其中研究工作量最多，应用最广的是直射式割嘴、离心割嘴和气动雾化割嘴近年来割嘴得到的了广泛的应用一般来说，三种割嘴各自具有以下特点：A 直射式割嘴是最早被应用的割嘴形式，结构十分简单，是利用高压液体直接经过一小孔射到气流中从而完成雾化的割嘴。

但有两个缺点：①物化性能较其他类型割嘴差；②工作范围也比较窄A 型割嘴的结构图如图 1-1 所示图图 1-11-1 直射式割嘴直射式割嘴B 离心式割嘴，它是经过特殊设计使液体沿切线方式注入，而以旋转的锥形液膜形式喷出的割嘴，它雾化能耗小，运行可靠，但工作范围也不是大，因为其雾化主要靠液体燃料的较高流速，若流体粘性大，摩擦阻力造成的压力损失也较大，此时雾化质量也差，相应的需要更大的流速，必须使供油压力也增大；图图 1-21-2 离心式割嘴离心式割嘴C 气流式雾化割嘴主要包括气体辅助化割嘴、气爆雾化割嘴、气泡雾化割嘴几种形式其原理主要是利用气体介质与液体介质之间的相互挤压、加速或剪切作用，将液体雾化在较低的油压下可获得良好的雾化效果，对雾化高粘度液体也有很好的雾化质量，但它还有雾化能量利用率低，气体能量损失较大，雾化用气量较大等不足现举出几种混合式割嘴如图 1-3,1-4,1-5,1-6 所示：图图 1-31-3 外混式气流喷嘴外混式气流喷嘴 图图 1-41-4 Y Y 喷嘴喷嘴图图 1-51-5 内混式喷嘴内混式喷嘴 图图 1-61-6 气泡雾化喷嘴气泡雾化喷嘴 如今，又相继出现了静电割嘴、超音割嘴、风力割嘴、震荡割嘴、喷射割嘴等等。

因而，割嘴在冶金、石油、石化、电力，等现代化工业部门的生产发展中应用非常广泛1.1.21.1.2 割嘴的实验及研究割嘴的实验及研究从燃烧装置到现在几千年内，燃烧器的设计和改进主要是靠实验，包括近代发展起来的冷态模型试验、热态模型试验和全尺寸装置实验冷态模型试验即通过采用模拟介质，在冷态工况下对割嘴的流量特性雾化特性及混合特性进行研究，从而得到割嘴的工作性能变化规律实验测量参数一般有：喷注压力、介质流量、液滴直径、液滴速度、直径分布等热态模型试验即在热式条件下进行割嘴特性研究，近年来热态试验的报道逐渐增多，这些试验通过透明窗对割嘴下游燃烧流场实现可视观察，通过光学拍摄得到割嘴雾化过程图像及燃烧流场中液滴运动和组分分布等信息最近几年，不仅割嘴结构不断改进，对于雾化特性的要求水平也有很大的提高但是由于雾化特性复杂，所以尽管从喷雾技术开始使用到现在已有将近一百年历史，雾化理论仍然很缓慢，还没有一个比较完善的雾化理论描述相应割嘴的雾化机理近几年来，由于激光测雾技术的应用，使得由实验研究的到的一些实验或半实验公式日益完善，通过实验研究发现问题，改进设计，雾化质量水平有了很大的提高目前应用最广泛的事多孔喷油嘴，其中每一孔都产生一束喷雾。

取其中一束为对象，并忽略各油束之间的干扰，即着重讨论单孔油嘴形成的喷雾场是现在研究喷雾的主要途径喷雾场即液态燃油经过割嘴被喷雾燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸汽和空气组成的多相混合的场随着 CFD 技术的发展，通过数值仿真进行雾化过程研究成为一种重要的新兴的研究方法这类研究主要分两类：一类是通过对割嘴下游已经雾化完毕的液滴群在实际流场中的运动状态的模拟进行研究；另一类通过模拟割嘴内部流动过程，进行雾化过程的仿真这种模拟研究的技术要点在于建立准确描述液体介质变形过程、液体与气体作用过程及液体离散化为液滴的过程模型1.2 割嘴喷雾时的各项特性燃油锅炉的喷雾混合特性通常是指喷出的油束与炉膛内气体介质之间的混合特性，受到燃油喷射特性、喷油嘴位置、气流运动、燃烧室尺寸和形状等因素的影响喷雾混合特性包括宏观和微观特性宏观特性主要是指喷束的几何轮廓形状及其在空间的发展情况，由喷雾锥角和贯穿长度等几何参数来衡量它反映了喷束体积大小，反映了空气卷入率，是描述喷雾特性最基本最直观特性围观特性主要是指喷束的内部结构及分布情况，包括喷雾滴径及滴径分布、喷雾浓度及浓度分布、喷雾粒子速度及气象介质的湍流运动等。

1.2.11.2.1 割嘴雾场的结构及特性割嘴雾场的结构及特性液态燃油喷入燃烧室空间后，形成一个由液柱、油滴、油蒸气和空气组合的多相混合物的场，我们称之为喷雾场对于等压式割嘴，按单孔割嘴模型试验，其雾化过程示意图如图 1-7 所示在混合室内油流被高速蒸汽射流冲成中空环状油膜，油膜附着在壁面并向下流动因高速蒸汽与油膜间的相对速度而产生摩擦与碰撞，并使横向湍流脉动增强，油膜表面形成弯曲的波状纹，在油膜薄的位置被气流撕裂成油滴只要相对速度足够大，可使大油滴再撕裂破碎成更小的油滴，直至相对速度过小而不能使油滴破碎为止图图 1-71-7 割嘴的雾化过程割嘴的雾化过程1.2.21.2.2 割嘴雾化颗粒的粒径表示方法及影响因素割嘴雾化颗粒的粒径表示方法及影响因素(1)粒径表示液态工质从割嘴射出来后 ，形成尺寸差别数十倍的雾滴群体人们研究和提出了多种雾滴尺寸评定方法① 雾滴尺寸（工程使用中主要用的几种方法）表表 1.11.1 雾化粒径表示方法雾化粒径表示方法② 雾滴群尺寸分布在喷雾过程中所得到的雾滴或分散物料（粉状、颗粒状）是由大量的服从统计规律的粒子组成的实验研究指出，颗粒直径的分布，一般具有连续的特点，并且具有一个最大值。

最常用的表示方法：a .图示法大小不同的颗粒组成的多分散系的尺寸分布有单峰和多峰分布，分别如图1.8、图 1.9 所示图图 1.81.8 单峰分布的颗粒系单峰分布的颗粒系 图图 1.91.9 多峰分布的颗粒系多峰分布的颗粒系b.函数法（Rosin-Rammler(R-R)函数）R-R 分布函数，它是由 Rosin 和 Rammler 于 1933 年研究磨碎煤粉颗粒的尺寸分布时提出的，后经研究表明对大多数由破碎形成的颗粒均能用此函数来表示，它的表示为R=1-exp(-)这是一个累积分布函数，R 表示直径小于 D 的颗粒的累计体积分布率，图1.10 为不同 k 之下的频度分布图图 1.101.10 相同与不同相同与不同 k k 的的 R-RR-R 分布函数数目频度分布曲线分布函数数目频度分布曲线(2)雾化粒径的影响因素研究表明，雾化效果随各种因素的不同有不同的变化，其中影响最大的因素包括：①割嘴结构尺寸，其中尤其重要的是割嘴的出口尺寸割嘴结构参数和型式对喷油中切向速度和径向速度分量的大小有密切关系，同时对有流流经割嘴的紊流扰动强度有很大的影响，根据液体燃料的雾化机理可知，液体燃料离开割嘴时所具有的切向速度和径向速度的大小对于喷雾特性有决定性的作用，因此割嘴结构是影响雾化特性的一个重要作用。

②雾化剂的雾性，最重要的是气体的密度常用的雾化剂有蒸汽和压缩空气在使用蒸汽时，蒸汽的热量在割嘴出口处大量释放出来，使油滴迅速蒸发而汽化，达到最理想的雾化程度；在使用压缩空气时，即使是经过预热的空气，在割嘴出口处放出的显热也有限，达不到使用蒸汽的效果③燃料油的雾性，最重要的是液体的表面张力研究表明，液体的粘性力一直液体表面上波的形成，并阻止由细丝进一步现成颗粒，因此液体粘性力增加，将会导致产生具有较大尺寸的颗粒表面张力由于会组织液体表面的扰动或变形，因而可以阻碍雾化过程的进行，并组织表面波的生成，延缓丝条的形成过程，随着表面张力的增加，雾化质量会严重恶化④气液流量等流动参数，重要参数包括气液相对速度、动量比、压降等1.3 本文的主要工作和研究内容本文在文献中对等压式割嘴喷雾实验的前提下，运用数值分析的方法对等压式割嘴进行大量的数值研究，内容主要包括以下几个方面：（1）在割嘴经典理论的基础上，建立三维的割嘴喷雾模型；对割嘴计算区域几何模型和数值模型的建立分别进行具体的确定和选择；几何模型的建立中，决定计算的准确性与收敛性的空间网格划分是一个关键的环节；数字模型的建立中，对控制方程的离散格式以及 Simple 算法等都进行了详细的说明。

2）确定数值模拟的过程中各参数的设定值；数值模拟参数的确定是整个计算过程中较为复杂的一个环节，它包括液滴的碰撞破碎系数的确定、动态系数的确定、最大时间步数的确定、时间步长因子的确定、颗粒轨迹的计算频率等3）对割嘴出口下游场、喷雾场以及割嘴的喷雾特性、流量特性等进行大量的理论分析：在割嘴下游流场的数值分析中简单的讨论气相流速对两相流场分布的影响；割嘴的喷雾特性分析主要从割嘴的运行参数、结构参数进行讨论，并且讨论割嘴出口下游截面雾化粒子的分布情况；另外，对割嘴的气相流量特性也进行相关的分析4）数值模拟结果的后处理在本课题中运用图像和曲线图两种方式对计算结果进行表达，以有效的判断计算结果的准确性和变化规律，进而了解所研究割嘴的喷雾特性2 等压式割嘴的数学模型2.1 研究割嘴的几何模型及网格划分2.1.12.1.1 等压式割嘴几何模型等压式割嘴几何模型等压式割嘴是一种混合式气流雾化割嘴，雾化介质除用蒸汽外也可以用压缩空气根据流动的粘性动力特性可通过雷诺数进行相似换算的特点，研究中选择用水来替代燃油作为研究材料，雾化介质为压缩空气这种割嘴的结构比较简单，它由油孔、气孔和混合孔组成，压缩空气经过气孔与来自液体通道的流体在混合孔内混合后，从喷出口喷出并膨胀雾化。

这种割嘴的油大部分沾在混合孔壁上，形成油膜，受雾化介质的作用而加速从喷口喷出，形成环状油膜，燃油破碎成雾滴其几何图如图 2.1 所示图图 2.12.1 等压式割嘴结构等压式割嘴结构设计和运行实践表明，这种割嘴具有很多的优点：（1）割嘴结构简单，气和水供给压力比较低2）由于兼有机械雾化割嘴的特点，其气耗量也不高3）割嘴单只出力大由于等压式割嘴可通过增加孔来提高出力，故易于设计出高出力割嘴，据介绍目前已有单只出力达到 10.000kg/h 的割嘴4）对液体燃料种类的适应性较强，高粘度液体也能雾化良好5）雾化质量好其雾炬的索特尔平均直径可达 50 微米左右，且在任何出力下均能保证良好的雾化质量6）负荷变化时雾化角几乎不变7）符合调节比大，使用寿命长8）雾化质量与孔表面光洁度的关系较小这使得其与机械雾化割嘴比较，使用期限较长2.1.22.1.2 网格划分（网格划分（GambitGambit））Gambit 的主要功能有三个：构成割嘴几何图形、划分网格和指定边界模型它最终生成具有边界信息的网格文件Gambit 能够提供多种网格类型，可根据用户的要求，自动完成网格划分这项繁杂的工作它可以生成结构网格、非结构网格和混合网格等多种类型的网格。

Gambit 具有良好的自适应能力，能对网格进行细化或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑移网格另外，网格单元方面，对于二维模型，Gambit 可以提供三角形、四边形的网格单元；对于三维模型，有四面体、五面体（棱锥行或金字塔形）以及六面体单元网格本文中用到的四面体和六面体单元网格如图 2.2 所示图图 2.22.2 单元。