柴油的浸沒噴吹霧化特性研究

范孝鋒

摘 要：為研究柴油的浸沒噴吹霧化特性，用計算流體力學的方法建立了柴油的浸沒噴吹霧化模型，并驗證了模型的準確性與可行性。利用此模型計算了不同霧化空氣速度柴油的浸沒噴吹霧化特性。結果表明：柴油霧化油滴的貫穿距隨著噴油時間的變化先增加后不變;油滴隨氣流到達底部氣液交界面附近時，其索特平均直徑將會減小;隨著霧化空氣流速增大，油滴的貫穿距增大，霧化形成的初始油滴索特平均直徑減小，且在0.006s-0.01s之間的油滴索特平均直徑增大。關鍵詞：柴油;索特平均直徑;浸沒噴吹;數值模擬

頂吹浸沒噴吹霧化技術在有色金屬熔煉中具有廣泛的應用，該熔煉方式是分別把空氣與液體燃料噴入熔池內對熔煉過程進行霧化燃燒補熱[1]。與其他熔煉方式相比，強化了熱量傳遞和質量傳遞，增大了化學反應速率[2]。霧化效果的好壞受多種因素的影響，包括溶液的物理化學特性，過程參數以及噴嘴結構等[3]。Christensen等[4]總結出液體的粘度越大、表面張力越大、氣液密度比越小則液體破裂效果越差的規律。Vajda[5]等研究了不同種類燃料的霧化特性，研究結果表明液體燃料噴射壓力與貫穿距成正比，環境壓力與貫穿距成反比;低密度粘度燃料顯示出優異的霧化和蒸發特性，并且有更大的貫穿距，霧化半角及噴霧面積。何旭等[6]研究表明空間壓力與霧化粒徑大小有關，壓力越大，霧化粒徑越小。Arachilage等[7]對空氣輔助霧化過程中不同空氣的壓力對霧化效果的影響進行研究，研究表明，霧化過程的有效性隨氣壓的升高而增加。Deng等[8]研究了在浸沒環境下，較低霧化空氣速度與生物柴油同時噴吹柴油的分布特性，并得出霧化速度越大，貫穿距越大，索特直徑最大值的位置距噴口越遠等規律。目前，國內外學者針自由空間霧化研究較多，液體燃料的浸沒噴吹霧化特性研究較少。本文利用CFD對柴油浸沒噴吹霧化過程建立模型，研究在浸沒噴吹相對穩定后不同霧化空氣速度下柴油浸沒噴吹霧化特性。

1模型建立

1.1 數學模型

模型的建立基于ANSYS Fluent中模型的耦合，將空氣與水分別視為連續的兩相，沒有互相穿插，在每一個控制體內體積分數α和為1。

1.2物理模型及計算工況

本文模擬計算模型高度為950mm，噴槍長度改為550mm，忽略避免厚度。套管噴槍內管內徑12.4mm，外管內徑31.8mm。用水模型來替代熔池中液體， 熔池液面高度為430mm，噴槍插入深度為30mm，如圖1所示。柴油作為霧化燃油。噴槍外層套管進口噴入空氣，內層套管噴入柴油。物理模型如圖1所示。計算區域用ICEM進行劃分，計算網格為三維六面體結構網格如圖2所示。入口附近是模擬的核心部分，為了提高計算結果的準確性，對此區域進行網格加密。總網格數約為66.65萬。

計算平臺采用ANSYS Fluent 19.2 3D雙精度求解。工作壓力為大氣壓，入口及出口邊界條件分別為速度入口和壓力出口，壁面設置為非滑移邊界條件。為了研究不同霧化空氣速度對浸沒噴吹霧化特性，計算工況分別設置為65.63m/s，75.63m/s，85.63m/s，95.63m/s，105.63m/s。

2模型驗證

本文選取五種不同規格尺寸的網格（網格規格V1到V5網格數增加）。對空氣速度85.63m/s浸沒噴吹霧化的柴油的貫穿距進行計算。得到驗證結果如圖4所示。

由圖3可知，隨著網格數增加，貫穿距受網格數的影響減小。將網格V5和V4計算結果相比較相比較，發現貫穿距的大小幾乎一致，證明網格已經具有獨立性。為了節省計算時間和成本，使用網格數量為V4時的物理模型進行計算。

數學模型的驗證是通過用本文計算模型對噴槍插入深度20mm，霧化空氣速度為4.032m/s時的貫穿距進行計算，并與Deng的浸沒噴吹霧化實驗得到貫穿距進行對比，結果如圖4所示。實驗值與模擬值最大誤差為11.2%。證明計算結果具有代表性。

3結果分析

3.1液滴分布特點

圖5所示是空氣速度為85.63m/s，噴吹0.2s后噴入柴油0.01s時油滴粒子分布特性圖。

由圖5可知，油滴以較小的霧化角分布在霧化空氣噴吹出的氣體空間內，當油滴到達噴吹空間底部附近的氣相區域內，沿著氣液交界面向四周擴散。其中，不同顏色代表不同粒徑的油滴，可以看出分布在氣相空間底部附近油滴粒徑較小，向四周擴散后粒徑增大。其原因是油的噴吹速度較慢，霧化空氣速度較快，油滴運動軌跡基本隨著氣流方向分布。在底部氣液交界面附近，湍流強度較大，霧化空氣速度衰減很快，油滴在較大湍流及氣流的沖擊下破碎，破碎后油滴粒徑基本在0.0026mm～0.0164mm之間，破碎的油滴隨著氣流向四周擴散時紊亂，增大了碰撞結合概率，合并后粒徑分布在0.02mm左右。空氣速度為85.63m/s時噴槍出口到氣液交界面軸向湍流強度及速度如圖6所示。

圖7所示為不同時刻油滴粒徑權重分布。在空氣速度85.63m/s時，噴槍先噴吹0.2s空氣后噴入油滴粒子，對噴入油滴后0.001s，0.004s，0.007s， 0.01s，0.013s時刻下的所有油滴的粒徑進行統計。由圖可知，所有油滴粒徑分布在0.001mm～0.1mm之間，并且大部分分布于0.026mm～0.055mm范圍內，符合正態分布規律;此外，噴油時間越長，小粒徑油滴權重增大，相反較大粒徑油滴權重減小。其原因是：一方面，隨著噴油時間加長，噴出的油滴增多，經過湍流破碎區域破碎的油滴數目增多，所占總油滴數比重增多;另一方面，部分破碎的油滴碰撞合并后粒徑達不到破碎之前的尺徑。

3.2 柴油的貫穿距隨時間變化

本小節是在各個速度工況下分析噴吹0.2s噴入柴油浸沒噴吹霧化特性。圖10所示為不同噴吹速度時貫穿距隨時間的變化情況。

由圖8可知，同一噴吹速度時，0.0005s～0.0035s區間內貫穿距逐漸增大，0.0035s之后基本保持不變;噴吹速度越大，0.0005s～0.0035s 范圍內貫穿距增大速率越大;且最終達到的最大貫穿距越高，空氣速度為65.63m/s，75.63m/s， 85.63m/s，95.63m/s，105.63m/s時的最大貫穿距分別為0.1669m，0.182m， 0.217m， 0.245m，0.266m。這是因為同一浸沒噴吹速度下噴吹深度相同，所以油滴最大的貫穿距0.0035s后保持不變。霧化速度越大，空氣作用于油滴的能量就越大，油滴運動速度越快;噴吹速度越高，噴吹深度越大，油滴所能到達的噴吹深度越大。

3.3柴油的索特平均直徑隨時間變化

圖9所示為不同速度索特平均直徑及粒子統計對比。由圖9（a）可知，同一噴吹速度時0.0005s～0.0035s區間內索特平均直徑基本保持不變，0.0035s開始減小，0.007s后索特平均直徑保持穩定。這是因為在0.0005s～0.0035s區間內，油滴破碎和合并能力較小;0.0035s后油滴隨空氣到達噴吹底部氣液交界面附近時開始破碎;0.007s后計算區域內未破碎油滴數相對于總數目所占比例較小，總體粒徑變化相對穩定。由圖9（a）也可得知：0.0005s～0.0035s區間內，霧化空氣速度越大，油滴粒徑越小。0.0035s后，霧化空氣速度越大，索特平均直徑減小速率越小，最終的油滴粒徑越大。出現這種現象的原因是，霧化空氣速度越大，導致空氣柴油初始噴入的破碎能力越強，0.0035s后，油滴運動的不規則性及碰撞合并能力越大。

為了驗證以上結論，在不同噴吹速度工況下分別統計噴入柴油0.002s，0.004s，0.006s三個噴油后的時間點，對油滴數目進行統計，得出圖9（b）所示的統計結果。由圖9（b）可知：在從0.002s，0.004s至0.006s過程中油滴數目增大，這是因為持續的噴油使計算區域內油滴數越來越多，符合規律;在0.002s時，粒子數目隨著空氣速度的增大而小幅度上升，因為空氣速度越大，導致油滴初始噴入直徑越小，油滴粒子數目越多;在0.004s時，少部分油滴已到達湍流強度較大的氣液交界面附近，合并能力增強，油滴數目減少;隨著噴油時間的推進，到達0.006s后，空氣速度越大，油滴數目越少。證明了圖9（a）所分析的結果：霧化空氣速度越大時，油滴的合并能力強于破碎能力。

4結論

本文基于浸沒頂吹過程，建立了柴油浸沒噴吹霧化過程計算模型，并驗證了模型的準確性和可行性。分析了柴油浸沒噴吹分布特性、不同空氣速度柴油浸沒噴吹霧化特性。得出如下結論：油滴以較小的霧化錐角分布在霧化空氣噴吹出的氣體空間內，當油滴到達氣液交界面附近，由于此處湍流強度較大，油滴再次破碎，粒徑變小。氣液交界面附近的油滴沿著交界面向四周擴散，油滴碰撞合并能力增強，粒徑變大。霧化空氣速度越大，柴油初始破碎粒徑越小，0.0035s后，索特平均直徑減小速率越小，最終的油滴粒徑越大;0.0005s～0.0035s 范圍內貫穿距增大速率越大，且最終達到的最大貫穿距越大。

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