轉(zhuǎn)盤(pán)離心粒化中絲狀成粒特性

吳君軍，王宏，朱恂，廖強(qiáng)，李俊，林林

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轉(zhuǎn)盤(pán)離心粒化中絲狀成粒特性

吳君軍1，王宏1，朱恂1，廖強(qiáng)1，李俊1，林林2

（1重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)離心粒化工藝，以水為工質(zhì)開(kāi)展可視化實(shí)驗(yàn)。采用高速攝影儀對(duì)液膜波動(dòng)、液絲斷裂等粒化過(guò)程進(jìn)行了捕捉，并利用MATLAB自編程序?qū)Λ@得的圖像進(jìn)行了處理。分析了離心粒化過(guò)程中液絲形成過(guò)程以及液絲斷裂形成液滴的過(guò)程。研究了運(yùn)行工況對(duì)液絲、液滴形成機(jī)制的影響。討論了液絲形成對(duì)液滴形成的影響并獲得了Weber數(shù)、Reynolds數(shù)對(duì)粒化效果的影響程度。結(jié)果表明，表面不穩(wěn)定波是形成液絲的主要因素，且液絲在Rayleigh不穩(wěn)定性的作用下斷裂形成液滴。升高轉(zhuǎn)速或者減小流量有利于獲得均勻的小液滴。Weber數(shù)對(duì)液絲、液滴形成具有顯著影響；Reynolds數(shù)僅對(duì)液絲數(shù)目有顯著影響。

造粒；多相流；不穩(wěn)定性；液絲；液滴；粒度分布

引 言

在高爐渣干式余熱回收工藝研究中，轉(zhuǎn)盤(pán)粒化法因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、產(chǎn)生顆粒細(xì)小均勻、可控程度高[1-4]等優(yōu)點(diǎn)受到了諸多研究者的關(guān)注。針對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)粒化的研究大多從工業(yè)應(yīng)用的角度，研究流體性質(zhì)、運(yùn)行工況以及粒化器結(jié)構(gòu)等因素對(duì)成粒的影響。Mizuochi等[5]以水為工質(zhì)，研究了不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)粒化效果的影響，結(jié)果表明，葉片式轉(zhuǎn)盤(pán)與葉輪式轉(zhuǎn)盤(pán)可以有效地減小大液滴。Ahmed等[6]以水為工質(zhì)，對(duì)比研究了不同杯形對(duì)Sauter平均直徑的影響，研究表明，與平盤(pán)相比，其他結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)杯所形成的粒化顆粒的平均直徑有-8%～12%的差距。Liu等[7-8]采用甘油作為工質(zhì)研究了粒化方式的轉(zhuǎn)變以及絲狀分離成粒的特性。Min等[9]以松香與石蠟混合物作為工質(zhì)，根據(jù)相似原理，對(duì)高爐渣的粒化進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)粒徑公式進(jìn)行了修正。Zhu等[10]進(jìn)一步利用該工質(zhì)研究了風(fēng)淬作用下粒化特性，結(jié)果表明，引入風(fēng)淬易導(dǎo)致絲狀物的生成。Zhao等[11]采用熔點(diǎn)較低的金屬錫作為工質(zhì)，研究了不同轉(zhuǎn)速、流量以及轉(zhuǎn)杯傾角對(duì)顆粒尺寸、形態(tài)的影響。Pan等[12-14]采用CFD數(shù)值模擬，研究分析了轉(zhuǎn)盤(pán)粒化過(guò)程中液膜流動(dòng)、換熱以及顆粒形成的規(guī)律。周揚(yáng)民等[15-16]采用高爐渣研究了轉(zhuǎn)速、溫度以及轉(zhuǎn)盤(pán)直徑對(duì)粒化顆粒尺寸的影響。

高溫熔渣在粒化時(shí)容易形成“渣棉”[17]。其原因在于液絲在轉(zhuǎn)杯邊緣與周?chē)諝獍l(fā)生換熱，引起自身溫度降低而發(fā)生凝固。液絲越長(zhǎng)、數(shù)目越多，在粒化器外發(fā)生凝固的可能性越大，“渣棉”就越容易形成。因此，研究運(yùn)行工況對(duì)液絲數(shù)目和長(zhǎng)度的影響對(duì)后期提高粒化比例、減少“渣棉”具有十分重要的意義。但是，從機(jī)理分析的角度，有關(guān)轉(zhuǎn)盤(pán)表面液膜鋪展、液絲形成、發(fā)展至最后破碎形成液滴過(guò)程的研究較少，且對(duì)液絲形成與粒化效果之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)鮮有研究。已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高爐渣黏度在轉(zhuǎn)變溫度之上變化量極小[8]，可以近似認(rèn)為其黏度為定值。在高爐渣的粒化過(guò)程中，需要維持較高溫度以保證好的流動(dòng)性，因此可認(rèn)為高爐渣的粒化與牛頓流體的粒化類(lèi)似。基于此，本文以常溫水為工質(zhì)，分析了粒化過(guò)程中液絲形成與液滴形成的原因，對(duì)粒化過(guò)程中液絲、液滴與運(yùn)行工況之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并評(píng)價(jià)運(yùn)行條件對(duì)粒化效果的影響程度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由粒化裝置、液體供給及收集裝置、高速攝影儀3部分構(gòu)成，如圖1所示。粒化裝置主要由轉(zhuǎn)盤(pán)式粒化器、連接軸、電動(dòng)機(jī)及變頻器構(gòu)成，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0～3000 r·min-1間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。供液裝置由水泵、穩(wěn)壓水箱、管道、閥門(mén)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、噴嘴等組成。實(shí)驗(yàn)圖像由i-SPEED TR (Olympas Inc.) 高速攝影儀記錄，拍攝幀數(shù)為2000 幀/秒，曝光時(shí)間為0.025 ms。得到的圖像再由MATLAB軟件處理并計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液體流量的變化范圍為20～100 L·h-1，粒化器轉(zhuǎn)速變化范圍為600～1500 r·min-1。

根據(jù)數(shù)值圖片處理的基本原理[18]，采用MATLAB自編軟件對(duì)粒化圖像進(jìn)行處理，獲得液滴的面積，并計(jì)算得到液滴Sauter平均直徑。與i-Speed Suite中得到的結(jié)果對(duì)比，其誤差為-1.8%～2.2%。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒化過(guò)程

流體離心粒化即為液體的破碎。該過(guò)程主要是流體內(nèi)力與外力相互作用的過(guò)程，當(dāng)內(nèi)力大于外力時(shí)，液體保持連續(xù)態(tài)，此時(shí)不發(fā)生粒化，而當(dāng)外力大于內(nèi)力時(shí)，液體發(fā)生破碎，形成若干離散的小液滴，此時(shí)粒化開(kāi)始發(fā)生。對(duì)于離心粒化過(guò)程，則是慣性力、離心力與表面張力、黏性力等相互作用的過(guò)程。當(dāng)流體流至轉(zhuǎn)盤(pán)中心后，在離心力、慣性力等作用下迅速鋪展形成液膜，液膜進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)至粒化器邊緣，隨后形成若干液絲，液絲繼續(xù)在空氣中運(yùn)動(dòng)發(fā)生破碎斷裂，形成液滴。

2.1.1 液絲形成

液絲的形成與噴嘴霧化過(guò)程中液膜初步發(fā)生破碎形成液絲類(lèi)似。然而離心粒化過(guò)程中液絲的形成與噴嘴霧化過(guò)程中液絲形成有顯著的差異，如圖2所示。由圖2（a）可知，噴嘴霧化將沿著噴嘴徑向形成環(huán)狀液絲，即液環(huán)[19]；而離心粒化將形成沿轉(zhuǎn)盤(pán)周向分布的液絲，如圖2（b）所示。產(chǎn)生該差異的主要原因在于液膜表面不穩(wěn)定波的差異。對(duì)于噴嘴霧化，表面不穩(wěn)定波主要是沿著徑向進(jìn)行傳播發(fā)展的；而轉(zhuǎn)盤(pán)離心粒化則主要形成沿著圓周方向傳播發(fā)展的不穩(wěn)定波。從圖2（b）中可以看出，在轉(zhuǎn)盤(pán)表面，液膜呈階梯狀，且沿著周向呈指狀，可見(jiàn)，轉(zhuǎn)盤(pán)離心粒化過(guò)程中，既形成了周向表面不穩(wěn)定波，又形成了徑向表面不穩(wěn)定波，兩種波疊加后形成的不穩(wěn)定波呈螺旋形，該結(jié)果與Leneweit等[20]觀察到的現(xiàn)象相符合。

2.1.2 液滴形成

液滴的形成過(guò)程即液絲破碎形成液滴過(guò)程，如圖3所示。該過(guò)程可分為兩個(gè)階段：在第1階段，液滴頭部顆粒主要受離心力與表面張力的作用，當(dāng)表面張力超過(guò)離心力時(shí)，液絲在離心力作用下被不斷拉長(zhǎng)，如圖3（a）所示，當(dāng)離心力的作用超過(guò)表面張力時(shí)，頭部液滴發(fā)生脫離，此時(shí)離心力是液滴形成的主要原因；在第2階段，受頭部大顆粒脫離的影響，后續(xù)液絲在斷裂處形成了對(duì)稱(chēng)擾動(dòng)波，該擾動(dòng)波沿著液絲不斷傳播，如圖3（b）、（c）所示。隨后液絲尾部脫離轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣，同樣地形成了沿著液絲方向傳播的擾動(dòng)波，如圖3（d）所示。液絲在源于其首尾的對(duì)稱(chēng)擾動(dòng)波的作用下發(fā)生破碎，如圖3（e）所示。該過(guò)程與單股液柱射流破碎類(lèi)似，液絲均在對(duì)稱(chēng)波的作用下斷裂。在該階段，對(duì)稱(chēng)擾動(dòng)波是液滴形成的主要原因。

不同的是，液柱破碎中認(rèn)為液柱的直徑不發(fā)生變化，因而形成的顆粒尺寸較為統(tǒng)一，Rayleigh等[21]研究表明，單股液柱射流破碎形成的液滴顆粒直徑為射流孔直徑的1.89倍。而在離心粒化過(guò)程中，液絲的直徑并不統(tǒng)一。在液絲發(fā)生斷裂前，其首尾直徑較大，這主要是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)盤(pán)邊緣，液絲受到慣性力與離心力的作用不斷向外運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，液絲與固體轉(zhuǎn)盤(pán)之間又具有黏附作用，從而導(dǎo)致液絲被不斷拉長(zhǎng)。液絲頭部顆粒脫離后，由于流體本身的內(nèi)聚作用，導(dǎo)致液絲尾部與轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣也發(fā)生了脫離。此后液絲呈現(xiàn)圓頭、彎腰、弓背、尖尾形，為典型的翼形結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3（d）。這主要是由于空氣阻力引起的，翼形液絲可減小其在空氣運(yùn)動(dòng)的阻力。可見(jiàn)，空氣阻力導(dǎo)致液絲直徑不均一，最后使形成液滴顆粒尺寸呈離散狀態(tài)。并且，液絲中部斷裂形成的顆粒尺寸較為接近，數(shù)目遠(yuǎn)高于液絲首尾斷裂形成的顆粒。可知，液滴顆粒的粒徑分布將有一個(gè)峰值。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比圖3（a）與圖3（c）可知，在液絲破碎之前，液絲較短，此時(shí)液絲直徑較為均勻，而隨著液絲的運(yùn)動(dòng)，其直徑逐漸變得不均勻，可見(jiàn)，液絲長(zhǎng)度對(duì)粒化顆粒也有一定的影響。

2.2 運(yùn)行工況對(duì)粒化過(guò)程的影響

在離心粒化過(guò)程中，改變粒化器轉(zhuǎn)速或者流量將對(duì)粒化效果造成明顯的影響。如圖4（a）、（b）所示，隨著流量的增大，轉(zhuǎn)盤(pán)表面形成的波動(dòng)紊亂程度有所增強(qiáng)。而當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r·min-1升高到1200 r·min-1后可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)盤(pán)表面的液膜呈現(xiàn)出“浪花”狀，其波動(dòng)更加紊亂。當(dāng)流體具有較高的速度時(shí)，其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此會(huì)形成波動(dòng)的界面促使能量耗散到外界，以維持最低表面自由能。當(dāng)流體的動(dòng)能遠(yuǎn)超過(guò)能量耗散以及自由表面能總和時(shí)，一方面，會(huì)導(dǎo)致界面波動(dòng)加劇，增強(qiáng)能量的耗散；另一方面，會(huì)促使液體發(fā)生破碎，形成新的表面。因此，增大液體流量或者升高轉(zhuǎn)速都將引起液體速度的升高，從而導(dǎo)致其在轉(zhuǎn)盤(pán)表面的波動(dòng)增強(qiáng)。

圖5示出了不同工況下轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣液絲數(shù)目的變化。由圖可知，相同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速下液絲數(shù)目隨著液體流量增大而增加，相同液體流量下也隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的升高迅速增加。從表面不穩(wěn)定波的角度來(lái)看，液絲數(shù)目與形成的不穩(wěn)定波波數(shù)有關(guān)，一般而言，波數(shù)越多，液絲數(shù)目越多[22]。關(guān)于表面不穩(wěn)定波的來(lái)源，至今仍無(wú)統(tǒng)一定論[23-26]。目前主要認(rèn)為不穩(wěn)定波是由外部擾動(dòng)引起的，擾動(dòng)源主要有外部空氣擾動(dòng)、液體流量波動(dòng)以及轉(zhuǎn)盤(pán)的振動(dòng)等。本文認(rèn)為氣液界面的速度差是擾動(dòng)形成的主要原因。當(dāng)流量增大或者轉(zhuǎn)速升高時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)表面液膜的運(yùn)動(dòng)速度增大，與周?chē)o止的空氣形成了顯著的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣對(duì)液膜的擾動(dòng)大大增強(qiáng)，因此形成的不穩(wěn)定波數(shù)目增多，液絲數(shù)目也隨之增多。

在粒化過(guò)程中，觀察液絲運(yùn)動(dòng)過(guò)程可發(fā)現(xiàn)，液膜運(yùn)動(dòng)到粒化器邊緣后形成凸起，凸起隨后不斷拉長(zhǎng)，即形成液絲，當(dāng)液絲頭部顆粒出現(xiàn)斷裂時(shí)即開(kāi)始粒化。液絲最初發(fā)生斷裂的位置與轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣的距離即為液絲斷裂長(zhǎng)度。圖6示出了不同運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)液絲斷裂長(zhǎng)度的影響。由圖可知，當(dāng)流量增大，液絲斷裂長(zhǎng)度增大；轉(zhuǎn)速升高，液絲斷裂長(zhǎng)度減小，液絲斷裂長(zhǎng)度主要與液絲頭部所受表面張力有關(guān)，液絲頭部直徑越大，其受到的表面張力越大，需要進(jìn)一步增大離心力才能促使液絲頭部顆粒發(fā)生脫離。在恒定轉(zhuǎn)速下，增大流量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤(pán)表面的液膜增厚，因此形成的液絲頭部變大，所受表面張力增大，因此液絲的斷裂長(zhǎng)度增大。而在恒定流量下，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，液絲頭部顆粒變小，其受到的表面張力減小，因此液絲斷裂長(zhǎng)度減小。

與水相比，高爐渣的黏度、表面張力更大。高黏度將導(dǎo)致液膜波動(dòng)減弱，相同工況下形成的液絲較為粗大，且數(shù)目減小，從而導(dǎo)致后續(xù)形成的液滴變大。而表面張力的增大，高爐渣液絲斷裂之前會(huì)運(yùn)動(dòng)更長(zhǎng)的距離，因此液絲長(zhǎng)度會(huì)進(jìn)一步增大，這將導(dǎo)致斷裂后形成的高爐渣顆粒更不均勻，同時(shí)，液絲越長(zhǎng)，在飛行工況中發(fā)生凝固的概率更高，更容易形成“渣棉”。上述物性變化都將導(dǎo)致離心粒化惡化，為保證粒化效果（粒徑小，“渣棉”少），因此在高爐渣的離心粒化過(guò)程中應(yīng)保持較高轉(zhuǎn)速以保證獲得較小的顆粒，同時(shí)需要合理控制熔渣流量，防止形成過(guò)多的“渣棉”。

2.3 粒化過(guò)程評(píng)價(jià)

2.3.1 液絲形成對(duì)液滴形成的影響 在粒化過(guò)程中，粒化產(chǎn)生的顆粒直徑并非一致，而是呈離散分布狀態(tài)，粒徑分布與運(yùn)行工況密切相關(guān)。一般而言，升高粒化器轉(zhuǎn)速或者減小液體流量，形成的液滴粒徑分布會(huì)向小粒徑段移動(dòng)，且最終的液滴平均粒徑減小[27]。為了更好地衡量粒化顆粒的均勻程度，定義參數(shù)粒徑分布集中度如下

式中，h為粒徑分布集中度；M為液滴數(shù)目；d為液滴直徑，mm。據(jù)式(1) 對(duì)不同工況下粒徑小于1.1 mm的液滴數(shù)目所占樣本總數(shù)的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該參數(shù)可以反映液滴直徑的均勻性。液絲作為粒化的中間環(huán)節(jié)，其直接影響到液滴的形成。如上分析，液絲直徑的不均導(dǎo)致了粒化顆粒尺寸不一致。同時(shí)，液絲越長(zhǎng)，其直徑的不均勻程度越高，因此液滴粒徑分布越離散。圖7示出了液滴粒徑分布集中度與液滴斷裂長(zhǎng)度的關(guān)系。由圖可知，隨著液絲斷裂長(zhǎng)度增大，液滴粒徑分布集中度下降，即液絲越長(zhǎng)，斷裂形成的液滴直徑差異越大。需注意的是，當(dāng)液絲斷裂長(zhǎng)度低于5 mm時(shí)，粒徑分布集中度變化不大。此時(shí)液滴粒徑均在1.1 mm以下，粒化效果較好。因此可通過(guò)減小液體流量或者升高轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)獲得均勻的液滴。

圖8示出了液絲數(shù)目與液滴直徑的關(guān)系。由圖可知，液絲數(shù)目增多，顆粒尺寸不斷變小，二者呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在給定流量下，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，液絲數(shù)目增多，液絲變細(xì)，因此最后形成的液滴顆粒直徑也相應(yīng)減小。在高爐渣離心粒化實(shí)際過(guò)程中，升高轉(zhuǎn)速后，液絲變細(xì)，其與周?chē)諝獾膿Q熱加強(qiáng)，“渣棉”的形成加劇。因此在實(shí)際應(yīng)用中為了減少“渣棉”，轉(zhuǎn)速必須設(shè)置在一個(gè)合理的范圍，不應(yīng)追求過(guò)高的轉(zhuǎn)速。

2.3.2 運(yùn)行工況對(duì)粒化影響的方差分析及擬合

離心粒化過(guò)程即為液體破碎為液滴的過(guò)程，粒化效果與操作工況、流體性質(zhì)、轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，各因素對(duì)粒化效果的影響程度也存在差異。因此，探明各因素對(duì)粒化效果的影響程度對(duì)于提高粒化效果具有重要的指導(dǎo)意義。

設(shè)置量綱1粒化效果指標(biāo)為：粒徑集中度（）、量綱1平均粒徑（）、液絲數(shù)目（）、量綱1液絲斷裂距離（）。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，將上述量綱1參數(shù)統(tǒng)一用代替，即

={,/,,/} (2)

而根據(jù)前述分析可知，粒化性能實(shí)質(zhì)上與工質(zhì)物性參數(shù)和運(yùn)行工況有關(guān)，因此量綱1參數(shù)可表示為

=(,,,,,) (3)

采用冪函數(shù)形式對(duì)各參數(shù)進(jìn)行量綱1化后有

即

=ReOh(5)

式中，為液絲斷裂長(zhǎng)度，mm；為粒化器直徑，m；為粒化器轉(zhuǎn)速，rad·s-1；為液體流量，m3·s-1；為流體密度，kg·m-3;為動(dòng)力黏度，Pa·s；為流體表面張力系數(shù)，N·m-1；為數(shù)據(jù)擬合常數(shù)。其中轉(zhuǎn)盤(pán)直徑、流體密度、表面張力系數(shù)、動(dòng)力黏度等物性參數(shù)皆為定值，因此為定值，式（5）可簡(jiǎn)化為

=Re(6)

根據(jù)雙因素方差分析法[28]，分別計(jì)算粒徑集中度、量綱1平均粒徑、液絲數(shù)目、量綱1液絲斷裂長(zhǎng)度的值，考察了置信水平為5%時(shí)Weber數(shù)()、Reynolds數(shù)（）對(duì)粒化效果的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粒化效果受影響程度評(píng)價(jià)
Table 1 Evaluation of effect of operating condition on centrifugal granulation

由表1可知，對(duì)于，>3.49表示其對(duì)于該項(xiàng)有顯著性影響；對(duì)于，>3.26表示其對(duì)該項(xiàng)有顯著性影響。值越大，影響越顯著。對(duì)液絲數(shù)目與液絲斷裂長(zhǎng)度均有顯著性影響，且對(duì)于粒徑集中度與平均粒徑有決定性的影響，而對(duì)粒徑分布集中度與平均粒徑幾乎無(wú)顯著性影響，僅對(duì)液絲數(shù)目有顯著性影響。該方差分析結(jié)果進(jìn)一步表明，直接影響到了粒化整個(gè)過(guò)程，即離心力與表面張力在流體粒化中起到了主導(dǎo)作用。

根據(jù)方差分析結(jié)果，分別對(duì)液絲、液滴與運(yùn)行工況之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。因?yàn)閷?duì)平均粒徑、粒徑集中度、液絲斷裂長(zhǎng)度無(wú)顯著性影響，因而僅考慮對(duì)其影響；對(duì)于液絲數(shù)目，則需考慮、二者對(duì)其的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合后可以得到

=0.36070.0877(8)

(9)

=40.330.282-0.1109(10)

各式的適用范圍為50<<500, 20000<< 145000。

3 結(jié) 論

轉(zhuǎn)盤(pán)上液膜受到周向和徑向不穩(wěn)定表面波的疊加效應(yīng)的影響，在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣破裂并形成若干絲狀凸起，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和工質(zhì)流量的變化均對(duì)其產(chǎn)生明顯影響。本文著重分析了粒化過(guò)程中液絲形成過(guò)程以及斷裂形成液滴的機(jī)理，探析了運(yùn)行工況對(duì)液絲及液滴形成的影響，定量分析了運(yùn)行工況對(duì)粒化效果的影響程度，得到的主要結(jié)論如下。

（1）離心粒化過(guò)程中，液絲的形成主要是由沿著轉(zhuǎn)盤(pán)周向傳播發(fā)展的表面不穩(wěn)定波引起，液絲為翼形。液絲頭部顆粒斷裂以及液絲尾部脫離轉(zhuǎn)盤(pán)形成的對(duì)稱(chēng)擾動(dòng)波是液絲斷裂形成液滴的根本原因。

（2）轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，氣液界面的速度差異變大，擾動(dòng)增強(qiáng)，形成的液絲數(shù)目增多，液絲變細(xì)，導(dǎo)致液絲頭部顆粒所受表面張力減小，液絲斷裂長(zhǎng)度減小。液體流量增大時(shí)，氣液界面擾動(dòng)亦增強(qiáng)，形成的液絲數(shù)目增多，液絲變粗，液絲頭部所受離心力增大，液絲斷裂長(zhǎng)度增大。

（3）液絲斷裂長(zhǎng)度增大時(shí)，其直徑不均勻性增大，導(dǎo)致形成的液滴粒徑分布集中度下降。隨著液絲數(shù)目增多，其直徑變小，導(dǎo)致形成的液滴顆粒平均直徑減小。對(duì)液絲斷裂長(zhǎng)度、液絲數(shù)目、液滴粒徑分布集中度、液滴平均粒徑皆有顯著性影響；僅對(duì)液絲數(shù)目有顯著性影響，該結(jié)果表明離心粒化過(guò)程中離心力與表面張力起到了主導(dǎo)作用。

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Characteristic of ligament in centrifugal granulation by spinning disc

WU Junjun1, WANG Hong1, ZHU Xun1, LIAO Qiang1, LI Jun1, LIN Lin2

(1Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technology System, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400040, China;2School of Mechanical Engineering, Science and Technology University of Beijing, Beijing 100083, China)

Aiming at the granulation of molten blast furnace slag by spinning disc, the visualization granulation experiment was conducted using water as the substance. The granulation process including film waving and ligament break-up was captured by high-speed camera. A self-compiled MATLAB program was employed to extract the data from the images. The ligament formation and the process of ligament break-up into droplets during centrifugal granulation were analyzed. Variation of ligament formation and droplet formation with operating conditions was investigated. The qualitative relationship between ligament formation and droplet formation was obtained. The impacts of Weber and Reynolds numbers on ligament number, ligament break-up length, droplets diameter distribution and average diameter were discussed. The results revealed that the ligaments were originated from surface instable waves of liquid film on the spinning disc and the droplets were formed by ligament break-up due to symmetric shocking waves spreading from the ends to the middle of ligament. The number of ligament increased with increasing rotary speed and the distribution of droplets became more highly concentrated as well, while the break-up length of ligaments and the average diameter of droplets were decreased as rotary speed increased. With increasing liquid flow rate, the number of ligaments increased, while the distribution of droplets became less concentrated. The break-up length of ligaments and average diameter were increased with higher liquid flow rate. Besides, larger ligament number or shorter ligament break-up length resulted in smaller droplets. Meanwhile, both of the Weber and Reynolds numbers had significant influence on the ligament formation, while only the Weber number had significant effect on droplet formation. By fitting the experimental data, correlations have been obtained to predict the granulation variation with different operational conditions quantitatively.

granulation; multiphase flow; instability; liquid film; droplets; size distribution

2015-01-04.

supported by the National Basic Research Program of China (2012CB720403) and the Chongqing Graduate Student Research Innovation Project (CYS14016).

Prof. WANG Hong, hongwang@cqu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150008

TK 09

A

0438—1157（2015）07—2474—07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB720403）；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CYS14016）。

2015-01-04收到初稿，2015-04-03收到修改稿。

聯(lián)系人：王宏。第一作者：吳君軍（1989—），男，碩士研究生。