噴霧蒸發中單個液滴蒸發特性的研究

王　珍（中國華電集團科學技術研究總院有限公司，北京市100016）

噴霧蒸發中單個液滴蒸發特性的研究

王珍（中國華電集團科學技術研究總院有限公司，北京市100016）

本文以高溫氣流中單個液滴蒸發為對象，建立液滴與氣流間的傳熱傳質模型，分析單個液滴的運動過程和熱質傳遞特性，計算獲取了液滴直徑和完全蒸發時間的變化規律。結果表明，相同液滴初始條件下，來流溫度越高和速度越大，液滴與來流氣體間的傳熱和傳質過程越強，液滴完全蒸發時間越短，其中來流速度的影響主要體現在液滴剛剛進入氣體的初期蒸發階段，而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發，且通過增大液滴與來流間速度差，即可強化液滴的非平衡蒸發過程。

液滴；蒸發；傳熱；傳質；仿真計算

噴霧蒸發技術是利用霧化裝置將原料液分散成細小的霧滴后，與流體介質接觸蒸發的過程。系統深入研究單個液滴蒸發特性，分析各個因素對蒸發過程的影響，對理解噴霧蒸發技術很有必要。微細霧滴的熱質傳遞行為是影響噴霧蒸發效率的關鍵因素，其包含傳熱和傳質兩個同時進行的過程。

孫慧娟等[1]對高溫燃氣中單個液滴的蒸發建立了數理模型，研究結果表明燃氣溫度越高，液滴最終達到的穩定平均溫度越高，而燃氣速度對液滴的穩定平均溫度和完全蒸發時間沒有影響。馬力等[2]采用懸掛液滴的方對單液滴蒸發過程進行了實驗研究，結果表明氣流速度對液滴的蒸發影響有限，不宜單純采取提高氣流速度來大幅加快液滴的蒸發。盧江等[3]針對單個液滴在高溫環境中的蒸發進行了研究，認為在液滴與所處介質之間有相對運動時，液滴與周圍介質間的熱量和質量傳遞會加強。劉乃玲等[4]建立了液滴蒸發非穩態階段的數學模型，迭代求解表明，液滴非穩態階段過程時間很短，液滴尺寸的變化很小。

本文以高溫氣流中單個液滴蒸發為對象，建立液滴與氣流間的傳熱傳質模型，分析單個液滴的運動過程和熱質傳遞特性，計算獲取了液滴直徑和完全蒸發時間的變化規律。

1　計算模型

本文基于離散相模型進行液滴蒸發過程的仿真分析，以直徑為20mm，長度為1000mm的圓管作為計算域，采用結構化網格劃分，網格數量為867858個，經網格相關性驗證滿足研究需求。本文所研究液滴初始直徑為50μm，圓管直徑與液滴直徑比為400，當液滴處于圓管中心線附近時，可認為邊界層對液滴運動無影響。同時為了弱化圓管入口效應的影響，液滴噴入點設置在入口下游2m處。入口條件設置為速度入口條件，出口條件為壓力出口條件，湍流模型采用k-ε模型，壁面為非滑移邊界條件和絕熱邊界條件。液滴為純水，液滴初始溫度為323K。

本文分別針對不同來流溫度（=443K，463K，483K，503K）、不同來流速度（V∞=10m/s，20m/s，30m/s，40m/s）、不同液滴初始速度（Vp，0=-20m/s，-10m/s，0m/s，10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，50m/s）計算了蒸發過程中液滴直徑以及完全蒸發時間，獲取了液滴蒸發行為特性。

2　結果分析

2.1來流流速V∞的影響（見圖1）

圖1　不同來流速度V∞下液滴完全蒸發時間τ（Vp，0=10m/s，Tp，0=323K，dp，0=50μm，T∞=443K）

圖1所示為液滴初始速度Vp，0=10m/s，來流溫度=443K時，不同來流速度V∞對應的液滴完全蒸發時間。對于相同的來流溫度和液滴初始條件，隨著來流速度的提高，液滴完全蒸發時間不斷降低。因為來流溫度確定時，液滴的平衡蒸發溫度也確定了，而來流速度的影響并不大，因此來流速度對液滴蒸發的影響主要表現在液滴剛進入來流氣體初期的非平衡蒸發階段，即對于相同的液滴初速度，當來流速度越大時，液滴與來流氣體之間的對流越強烈，伴隨著傳質和傳熱過程更強，因此液滴蒸發量越大。而本文所研究液滴尺寸較小（=50μm），在進入來流氣體后很短時間（＜0.05s）液滴溫度即達到平衡蒸發溫度，因此雖然來流速度可以顯著增強非平衡階段液滴的蒸發效果，但因為非平衡狀態維持時間較短，因此來流速度對液滴的整個蒸發周期的影響是有限。

2.2來流溫度T∞的影響

以來流速度V∞=10m/s，液滴初始速度Vp，0=10m/s為例，當來流溫度T∞=443K時，液滴完全蒸發時間=0.1361s，當T∞升高至503K時，減少至0.0929s。可見隨著來流氣體的溫度升高，液滴完全蒸發時間將減小。主要因為隨著來流氣體的溫度升高，液滴平衡蒸發階段的傳熱溫差增大，傳熱強度大，表明此階段液滴蒸發量大，因此液滴完全蒸發時間減小。

2.3液滴初始速度Vp，0的影響

圖2　不同液滴初始速度Vp，0下液滴完全蒸發時間τ（V∞=30m/s，Tp，0=323K，dp，0=50μm，T∞=443K）

圖2所示為來流速度V∞為30m/s，來流溫度為443K，液滴初始溫度為323K，液滴初始直徑為50μm時，不同液滴初始速度對應的液滴完全蒸發時間。對于外部環境條件相同的液滴，在其初始直徑相同時，液滴的完全蒸發時間隨著液滴初始速度呈現著對稱分布的變化結果，而液滴完全蒸發時間最大的液滴初始速度對應著當地的來流速度，本文中采用圓管模擬液滴外部環境，由于邊界層的影響，當圓管入口速度為30m/s時，液滴周圍速度實際約為35m/s，因此液滴完全蒸發時間最大時對應的液滴初始速度為35m/s。

當液滴初始速度大于或小于當地來流速度時，液滴蒸發時間都將減小，因為當液滴速度與來流速度不一致時，由于液滴四周邊界層中的對流作用，較相對靜止狀態時，液滴的傳質過程被強化，更大的水分蒸發，因此蒸發速度也隨著增大。同時，由圖2可見，通過增大液滴與來流的速度差，可強化液滴的非平衡蒸發過程，而不需要一味的增大液滴的初始速度。

3　結論

本文建立了單個液滴在高溫氣流中運動和蒸發過程的仿真模型，分析了來流速度等因素對液滴蒸發行為的影響，總結出液滴蒸發影響因素的影響規律。相同液滴初始條件下，來流溫度越高和速度越大，液滴與來流氣體間的傳熱和傳質過程越強，液滴完全蒸發時間越短，其中來流速度的影響主要體現在液滴剛剛進入氣體的初期蒸發階段，而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發。

[1]孫慧娟，張海濱，白博峰.高溫燃氣中單個液滴的蒸發特性.西安交通大學學報，2008，42（7）：833～837.

[2]馬 力，仇性啟，王 健，鄭志偉，易志勇，閻紅巧.單液滴蒸發影響因素實驗研究.現代化工，2013，33（1）：103～106.

[3]盧 江，余 敏，陶樂仁，趙吉哲.水滴蒸發的理論分析與蒸發時間的研究.上海理工大學學報，2003，25（1）：36～38.

[4]劉乃玲，張 旭.液滴蒸發過程理論分析及非穩態過程數值求解.制冷，2007，26（3）：45～48.

O642

A

2095-2066（2016）31-0265-02

2016-10-9

王 珍（1983-），男，工程師，博士，主要研究方向為高效多相流動仿真分析及節能減排技術研究。

王珍。