噴嘴霧化性能測試實驗及計算機模擬

陳聰++陳琴珠

摘 要：霧化噴嘴廣泛應用于各類噴霧式反應裝置中。為了獲得具備高效霧化性能的噴嘴結構形式，設計搭建了一套噴嘴霧化性能測試實驗系統，并結合CFX軟件對三種不同結構形式的壓力旋流式噴嘴的霧化特性進行實驗分析和內部流場數值模擬。研究結果表明螺旋槽式噴嘴的霧滴平均直徑SMD較小，噴霧錐角適中，且噴嘴出口速度分布均勻，能夠形成噴霧質量較好的實心錐噴霧。

關鍵詞：霧化噴嘴 索特爾平均直徑 數值模擬

中圖分類號：v231 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0115-03

霧化噴嘴廣泛應用于化工噴霧式反應器中，其目的是將液相工質霧化成細小的霧滴后分散到氣相環境中，由于霧化后的液滴尺寸較小（一般為微米級別），使得液滴比表面積增大，從而加快氣液兩相的傳質傳熱效率[1]。噴嘴的霧化特性受到噴嘴結構形式、噴射壓力和外界因素等綜合因素的影響[3]，通過實驗或數值模擬手段研究噴嘴的各個霧化性能參數，是獲得高效霧化噴嘴的一個關鍵所在，也可為工業應用中噴嘴的選型提供依據。

1 實心錐形霧化噴嘴

噴嘴的霧化性能包括流量特性、霧化形態、噴霧錐角、噴射速度、霧滴尺寸及其分布等幾個方面[4]。對于外循環噴霧式反應器而言，由于氣相充滿整個反應器，且需求的噴射流量較大，因此噴霧式反應器中要求霧化噴嘴具備以下特點：低壓差大流量；霧化錐角較大的實心錐形噴霧（90～120°）；霧滴粒度較小（300μm以下）。

霧化噴嘴的結構形式多種多樣，由于反應器中沒有外加動力裝置，多選用壓力旋流式噴嘴。該實驗中根據低壓大流量的要求，設計選用了三種常見的壓力旋流式實心錐霧化噴嘴，分別為離心壓力式噴嘴[5]、螺旋槽式噴嘴[6]、實心X型噴嘴[7]，各噴嘴的結構形式如圖1所示。通過實驗研究和數值模擬手段分別測試各噴嘴的霧化性能。

2 噴嘴性能測試實驗系統

為了研究分析三種實心錐噴嘴的霧化性能，設計了如下圖2所示噴嘴性能測試實驗系統。該系統由移動水箱、循環泵、轉子流量計、霧化噴嘴、激光粒度分析儀等構成。為了便于數據采集，在移動水箱兩邊開設了兩個測試孔，利用高速相機拍攝噴嘴霧化后的形態，并用較為先進的激光粒度分析儀對霧滴粒度參數進行分析測試。

3 實驗結果及分析

3.1 流量特性實驗結果分析

霧化噴嘴的流量特性（噴射壓力—流量關系）是其能否適用于特定工況下的先決條件。通過實驗，測得三種霧化噴嘴的最大噴射流量均在3.2左右，圖3為噴射流量在2.0～3.2時幾種噴嘴的噴射壓力隨流量的變化曲線。從圖中可以看出，隨流量增大，所需的噴射壓差也增大，且壓力與流量之間的關系基本滿足，即噴射壓力與流量的平方成正比。橫向比較，當噴射流量相同時，離心壓力式噴嘴的噴射壓差最大，螺旋槽式噴嘴次之。

3.2 霧滴粒度及其分布

實驗中利用目前較為先進的分體式激光粒度分析儀對噴嘴形成的霧滴尺寸進行在線實時測量，其原理是通過分析激光穿過噴霧區域后所形成的散射光強度，從而反推計算出霧滴尺寸。利用分析儀自帶的粒度分析軟件可準確且直觀的得到所測噴霧區域的索特爾平均直徑SMD，圖4為三種噴嘴的SMD隨流量變化的關系曲線。從圖中可看出相同流量下，螺旋槽式噴嘴的SMD最小，且隨流量增大SMD明顯減小，最小值可達234μm；實心X型噴嘴次之；離心壓力噴嘴的SMD最大，最大值在307μm。

除了平均直徑，激光粒度分析儀中也可分析得到霧滴群中各個尺寸的霧滴占霧滴總體積的累積百分比，即特征直徑。其中D0.1、D0.5和D0.9分別表示在比該直徑小的所有液滴的體積占全部液滴總體積的百分比為10%、50%和90%。為了反映霧滴粒度的分布范圍，引入“相對尺寸范圍”這一概念對液滴尺寸的發散程度進行指征，其定義為：

值越小，表明霧滴尺寸分布越窄。分別計算各噴嘴在不同流量下的相對尺寸范圍，結果如表2所示。從表中的數據可以看出：對單個噴嘴而言，隨流量的增大而有所增加，這是由于噴霧量的增加導致霧滴數目增多；橫向比較，離心壓力噴嘴和螺旋六槽噴嘴的較小，證明這兩種噴嘴的尺寸分布較窄。

4 計算機數值模擬研究

由于噴霧的復雜性和實驗條件的限制，無法通過實驗測試霧化噴嘴在不同流量下的出口速度。為了得到出口速度參數，文中利用CFX軟件對霧化噴嘴的內部流場進行數值模擬，并對模擬結果進行分析。圖5、6、7分別為三種噴嘴在時的內部流場和噴嘴出口速度分布云圖。對比圖中的流線和速度值可以看出：

（1）離心壓力噴嘴出口速度較大，最大速度可達43m/s，但是速度在出口截面的分布較為雜亂，尤其在四周出現了兩個速度值小于10m/s的驟減區域，造成液束分布不均勻。

（2）螺旋槽式噴嘴中，流體在噴嘴內沿四周的圓弧槽流動，在螺旋槽的作用下形成同時具有切向速度和軸向速度的流線進入旋流室，流線無回流現象。噴嘴出口的最大速度在26m/s左右，速度云圖呈明顯的環狀分布，最大速度在中心處，但沒有明顯的速度較小區域，分布較為均勻。

（3）實心X型噴嘴的流線是形成了兩股斜向交叉的液流，具備一定的切向速度然后進入旋流室。噴嘴出口速度較小，最大只有19m/s；速度云圖呈一定的橢圓環形分布，而且最大速度在出口的邊緣處，速度值由外而內逐漸減小，分布均勻度不如螺旋槽式噴嘴，但優于離心壓力噴嘴。

5 結語

（1）離心壓力式噴嘴的流動特性較好，同一流量下的噴射壓差最低。但該噴嘴的霧化錐角較小，在85°左右，且噴嘴出口中心處噴射速度過大，使得形成的實心錐噴霧多集中于中心處而不分散。同時離心式噴嘴的霧滴尺寸分布范圍最窄，即霧滴尺寸較為集中，但是液滴平均直徑SMD最大，霧化效果較差。

（2）實心廣角噴嘴的霧化范圍最廣，霧化角能夠達到125°左右，隨流量增加霧化角略有降低，但是形成的噴霧多集中于實心錐外側，噴嘴出口速度較小，噴射距離較短。其霧滴粒度介于螺旋槽式和離心壓力式噴嘴之間，最小霧滴平均直徑為287μm。

（3）螺旋槽式噴嘴的綜合霧化性能較好，其霧化角隨流量增加而增大，可達100°以上，霧滴粒度隨流量增加顯著減小，SMD可達234μm，同時噴嘴出口速度分布均勻，霧化效果較好。

參考文獻

[1] 田春霞，仇性啟，崔運靜.噴嘴霧化技術進展[J].工業加熱，2005（4）：40-43.

[2] 馬文斌，孫立宏.乙氧基化工藝的最新進展[J].精細石油化工，1997（02）：12-15.

[3] 于才淵，王寶和，王喜忠.噴霧干燥技術[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4] 曹建明.液體噴霧學[M].北京：北京大學出版社，2013.

[5] 廖義德，邱鴻利，黃艷，等.離心噴嘴設計方法研究[J].石油化工設備，2003（3）：4-6.

[6] S.Nonnenmacher，M.Piesche.Design of hollow cone pressure swirl nozzles to atomize Newtonian fluids[J].Chemical Engineering Science，2000（19）：4339-4348.

[7] 周華，朱暢，范明豪，等.高壓旋芯噴嘴的霧化特性[J].農業機械學報，2006（1）：63-66，58.

[8] 尹俊連，焦磊，仇性啟，等.旋流噴嘴內部流場的數值模擬和實驗研究[J].浙江大學學報（工學版），2009（5）：968-972.