某直流噴嘴噴射霧化過(guò)程的數(shù)值模擬

胡浩威，時(shí)文博

(安徽建筑大學(xué) a.安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院；b.建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230601)

當(dāng)前，我國(guó)的能源供應(yīng)仍以火力發(fā)電為主。調(diào)查顯示，火力發(fā)電約占發(fā)電總量的75%[1-2]， 煤炭仍作為主要消費(fèi)能源。燃煤發(fā)電機(jī)組的水分主要由煙氣中的水分和廢水中的水分組成，廢水高效低能回收對(duì)解決電廠汽水循環(huán)和水資源匱乏地區(qū)的電廠水資源緊張等問(wèn)題有重要意義。高回收率，這樣不僅能充分利用燃煤電廠的低品位熱源，而且使能源體積梯度利用，從而達(dá)到高效回收，在經(jīng)濟(jì)上擴(kuò)容蒸發(fā)減量30%以上，并且可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能20%以上。因此，研究噴嘴的噴射規(guī)律和霧化特性對(duì)研發(fā)燃煤發(fā)電機(jī)組水分高效低成本回收、處理的關(guān)鍵技術(shù)具有實(shí)際意義。

針對(duì)噴嘴噴射規(guī)律及霧化特性，馮書(shū)勤等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了煙氣中廢水噴射霧化的特性，發(fā)現(xiàn)液滴群直徑、初始速度、溫度對(duì)蒸發(fā)質(zhì)量和時(shí)間的影響。劉嚴(yán)雪等[4]采用數(shù)值模擬方法建立液滴在風(fēng)洞中蒸發(fā)的模型，發(fā)現(xiàn)液滴與空氣順流時(shí)對(duì)蒸發(fā)冷卻性能的影響。陳曦等[5]采用自定義函數(shù)方法研究多噴嘴與單噴嘴情況并進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了噴嘴數(shù)目對(duì)液滴粒徑和速度的影響規(guī)律。Zhuang等[6]采用流固耦合的方法建立傳熱模型，分析流體域與溫度場(chǎng)的相互作用，提高了噴油管的精度。馮留海等[7]采用自定義函數(shù)方法建立噴射閃蒸模型，研究超臨界流體的體積分?jǐn)?shù)對(duì)顆粒成形的影響，分析噴嘴內(nèi)溫度、速度、壓力和各相濃度分布。王鵬里等[8]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法分析噴油嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)甲醇燃料噴射性能的影響。林鴻亮等[9]建立噴嘴霧化模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究單相、兩相噴嘴霧化特性，以及液體壓力、氣液比等參數(shù)對(duì)噴霧特性影響的變化規(guī)律。周正等[10]通過(guò)相位多普勒粒度分析實(shí)驗(yàn)研究雙流體噴嘴的出口速度與粒徑分布，并采用數(shù)值模擬方法研究氣液占比和液滴粒徑對(duì)液滴蒸發(fā)過(guò)程的影響。趙豐等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得噴嘴霧化過(guò)程中液體流量、壓力、溫度與霧化錐角之間的關(guān)系，并采用數(shù)值模擬方法分析了霧化錐角對(duì)霧化質(zhì)量的影響。石振晶等[12]搭建了霧化試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了煙氣脫硫系統(tǒng)中噴嘴流量、噴霧角和索特爾平均直徑與壓力之間的變化規(guī)律?？卤萚13]采用泰勒類比破碎模型對(duì)閃蒸噴霧液滴尺寸特性進(jìn)行研究，分析得到不同條件下液滴尺寸的變化規(guī)律。楊立平等[14]針對(duì)燃?xì)馍淞鲉?wèn)題，采用數(shù)值模擬方法研究噴氣射流方向和噴嘴位置對(duì)燃?xì)馀c空氣混合技燃燒過(guò)程的影響。

基于上述分析，針對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廢水，主要通過(guò)改變進(jìn)口壓力與噴嘴結(jié)構(gòu)，分析流場(chǎng)域中的流場(chǎng)分布、速度變化、含水率變化、噴射角和壓力變化等方法。為優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、提高燃煤發(fā)電機(jī)組的廢水回收效率等提供理論依據(jù)。

1 物理模型

在燃煤發(fā)電廠中，擴(kuò)容蒸汽作為多效蒸餾加熱熱源，擴(kuò)容后的濃縮廢水會(huì)再次進(jìn)入膜蒸餾裝置，廢水蒸餾后產(chǎn)生蒸汽冷凝回收，末級(jí)的濃廢水再進(jìn)入噴射閃蒸裝置。噴射閃蒸是使過(guò)熱含鹽廢水噴入低壓環(huán)境，液相迅速失去穩(wěn)定性，然后霧化、蒸發(fā)、析晶的過(guò)程。它的優(yōu)勢(shì)是不需要加熱面、加熱面積較大、驅(qū)動(dòng)溫差小且晶體易于分離。這樣可以高質(zhì)量回收廢水，減少風(fēng)機(jī)電耗及脫硫水耗，降低設(shè)計(jì)排煙溫度。

噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴射閃蒸過(guò)程的影響作用明顯。本文研究對(duì)象為直流式噴嘴，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常見(jiàn)安置于噴注器面板上，開(kāi)圓柱形直流孔，液體由擠壓進(jìn)入噴孔后經(jīng)噴孔射流進(jìn)入流場(chǎng)，可應(yīng)用于燃煤發(fā)電機(jī)組的廢水回收。噴嘴和流場(chǎng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 直流式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1(a)所示，建立噴嘴結(jié)構(gòu)的三維模型。液體從噴嘴最左側(cè)進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，經(jīng)過(guò)擋板繞流后，再?gòu)膰娍讎姵?，進(jìn)入流場(chǎng)域；圖1(b)所示為噴嘴結(jié)構(gòu)的主要尺寸；圖1(c)所示為噴嘴整體結(jié)構(gòu)。為研究流體從噴嘴射流后的流動(dòng)特性，需要建立流場(chǎng)區(qū)域，外流場(chǎng)區(qū)域采用了長(zhǎng)寬高為600 mm×800 mm×1 000 mm的長(zhǎng)方體。噴嘴結(jié)構(gòu)零件與外流場(chǎng)區(qū)域共同組合成為計(jì)算區(qū)域，如圖2所示。

圖2 噴嘴和流場(chǎng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1計(jì)算方法

整個(gè)噴射過(guò)程涉及氣液兩相，在噴嘴內(nèi)部只有液體存在。外流場(chǎng)區(qū)域的出口為大氣壓力出口，允許回流產(chǎn)生，即空氣可以進(jìn)入。當(dāng)液體從噴嘴噴出后，液滴之間產(chǎn)生碰撞破碎，讓整個(gè)流動(dòng)過(guò)程變得更復(fù)雜。采用歐拉-拉格朗日法作為計(jì)算基礎(chǔ)進(jìn)行分析，采用組分輸運(yùn)模型、湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[15-16]。選擇Simple耦合算法進(jìn)行求解，整個(gè)過(guò)程忽略重力和浮力的影響。

2.1.2動(dòng)量守恒方程

任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足動(dòng)量守恒定律，動(dòng)量守恒方程為：

(1)

式中：p為靜壓，τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i方向的重力體積力和外部體積力。

2.1.3連續(xù)相控制方程

流體流動(dòng)是不可壓縮的湍流流動(dòng)，用歐拉方程描述為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Sm、Smo、Se是考慮液滴運(yùn)動(dòng)作用而引入的質(zhì)量、動(dòng)量和能量源項(xiàng)。

2.1.4標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是最常用的湍流模型之一，需求解湍動(dòng)能及其耗散率方程，適合湍流過(guò)程的模擬。湍動(dòng)能k和耗散率ε的方程為：

(6)

(7)

2.1.5湍流輸運(yùn)方程

湍流輸運(yùn)方程可表示為湍流能量輸運(yùn)方程和能量耗散輸運(yùn)方程，分別為：

(8)

(9)

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到噴嘴與外流場(chǎng)連接處發(fā)生的物理量變化梯度較大，為了捕獲流場(chǎng)中液滴的運(yùn)動(dòng)情況，需要對(duì)噴嘴與流場(chǎng)域連處網(wǎng)格進(jìn)行特殊加密，以便更精確地模擬液態(tài)水進(jìn)入噴嘴后的流動(dòng)情況。利用ICEM CFD對(duì)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3、4所示，均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4以上。分析網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算的影響，定位在噴孔附近處進(jìn)行加密處理，計(jì)算得到每套網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的平均速度如圖5所示。當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到100萬(wàn)以上時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本趨于穩(wěn)定。本文中計(jì)算的整體網(wǎng)格總數(shù)在150萬(wàn)左右。

圖3 噴嘴結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

圖4 整體網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 網(wǎng)格數(shù)量與平均速度的關(guān)系曲線

2.3 邊界條件

采用Fluent軟件計(jì)算物理數(shù)學(xué)模型，研究過(guò)程不考慮溫度的變化，溫度設(shè)置為300 K不變。液體從噴嘴左側(cè)進(jìn)入，入口為壓力入口，分別設(shè)定入口壓力為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6 MPa，入口的液體占比為100%。除了與噴嘴直接接觸的外流場(chǎng)壁面外，外流場(chǎng)其余區(qū)域邊界面均為大氣壓力出口邊界。出口邊界有外部空氣可以進(jìn)入流場(chǎng)中，即允許產(chǎn)生回流。噴嘴結(jié)構(gòu)壁面為無(wú)滑移壁面，不考慮壁面的親疏水性，無(wú)壁面回彈、無(wú)吸收。

3 結(jié)果分析

3.1 預(yù)測(cè)不同進(jìn)口壓力對(duì)噴射霧化的影響

相同噴孔孔徑條件下(R=0.8 mm)，設(shè)定不同的進(jìn)口壓力，通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比液態(tài)水在不同進(jìn)口壓力下的噴射過(guò)程，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 不同進(jìn)口壓力噴射區(qū)速度分布云圖

圖7 不同進(jìn)口壓力下的噴射區(qū)速度曲線

綜合分析圖6、7可知，進(jìn)口壓力不同，其速度分布不同；噴射區(qū)內(nèi)液滴的高速區(qū)域隨進(jìn)口壓力增大而增大。由速度變化曲線可知，當(dāng)液滴擴(kuò)散在0.01～0.03 m范圍內(nèi)，速度隨進(jìn)口壓力增大而逐漸增大，在噴射區(qū)0.03 m處測(cè)得面平均速度。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)口壓力從0.8 MPa增大20%，速度隨之提高了11%左右；當(dāng)進(jìn)口壓力從0.8 MPa提高至1.6 MPa時(shí)，速度提高了34.3%。液滴擴(kuò)散至約0.10 m處時(shí)，其速度近似相等。從圖7所示的速度曲線可以看出，隨著進(jìn)口壓力的增大，速度衰減趨勢(shì)逐漸變緩。

圖8、9分別表示了不同進(jìn)口壓力下的含水量分布和含水率變化曲線。綜合分析可知，含水量較高的區(qū)域是接近噴嘴噴孔的位置，且含水率均隨著液滴擴(kuò)散逐漸降低；在噴射區(qū)域內(nèi)，當(dāng)進(jìn)口壓力從0.8 MPa增大20%，含水率有提高的趨勢(shì)，但增幅變化不明顯，說(shuō)明進(jìn)口壓力增大對(duì)含水率變化產(chǎn)生的影響較弱。

3.2 預(yù)測(cè)不同孔徑的噴嘴噴射規(guī)律

在設(shè)定相同進(jìn)口壓力(P=1.4 MPa)的條件下，對(duì)比液態(tài)水進(jìn)入不同孔徑噴嘴后的過(guò)程。不同孔徑的噴射區(qū)速度分布見(jiàn)圖10所示。

圖8 不同進(jìn)口壓力下含水量分布云圖

圖9 不同進(jìn)口壓力時(shí)含水率變化曲線

圖10 不同孔徑的噴射區(qū)速度分布云圖

圖10、11分別顯示了不同孔徑的噴射區(qū)速度分布和速度變化曲線。綜合分析可知，不同孔徑噴嘴的速度分布不同，孔徑越大，噴射區(qū)液滴的高速區(qū)域就越大；速度隨孔徑增大而逐漸增大，在噴射區(qū)0.03 m處測(cè)得面平均速度，與0.8 mm的孔徑相比，孔徑增大20%時(shí)，速度分別提高12.4%、14.7%、15.9%和17.8%，且當(dāng)孔徑從0.8 mm增大至1.6 mm時(shí)，速度提高65%，提升幅度較為明顯，說(shuō)明增大噴嘴孔徑對(duì)提高噴射區(qū)液滴速度的效果較好。從曲線的下降趨勢(shì)可知，隨著孔徑的增大，速度衰減趨勢(shì)逐漸變緩，完全衰減時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，液滴擴(kuò)散范圍也在逐漸增大。

圖11 不同孔徑速度變化曲線

圖12、13分別表示了不同孔徑的噴嘴含水量分布和含水率變化曲線。綜合分析可知，不同孔徑的噴嘴含水量分布不同，雖然含水率都隨液滴擴(kuò)散范圍的增大在逐漸降低，但高含水量區(qū)域大小不同；孔徑越大，噴射區(qū)高含水量區(qū)域越大，含水率隨孔徑增大而逐漸提高。液滴擴(kuò)散至0.03～0.06 m時(shí)，含水率增幅較為明顯。當(dāng)孔徑從0.8～1.6 mm時(shí)，含水率提高61.5%，有較大的增幅，變化規(guī)律與速度變化規(guī)律較相似。由含水率曲線下降趨勢(shì)可知，隨著孔徑的增大，含水率下降曲線有逐漸變緩的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谙嗤M(jìn)口壓力條件下，速度與孔徑成正比，液滴的擴(kuò)散范圍隨速度增大而逐漸擴(kuò)大，故其含水量區(qū)域隨孔徑增大而逐漸增大，即含水率下降速度與孔徑成反比。

圖12 不同孔徑噴嘴的含水量分布云圖

圖13 不同孔徑含水率變化曲線

不同孔徑的噴嘴內(nèi)部速度不同。由于此時(shí)的壓力損失全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，故可用壓力降變化分析速度變化，如圖14所示，液態(tài)水進(jìn)入噴嘴后的壓力逐漸降低。

計(jì)算噴射進(jìn)口前端與孔后的平均壓力差值(圖15)發(fā)現(xiàn)，不同孔徑的壓力降是不同的，隨著孔徑的增大，壓力降在逐漸降低。根據(jù)擬合公式ΔP=-0.053 3R+1.337 3，壓力的損失全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，所以通過(guò)壓力降的變化也可分析出液態(tài)水在噴嘴內(nèi)部的速度變化，即噴嘴內(nèi)部速度與孔徑大小成反比，噴嘴孔徑越小，噴嘴內(nèi)部速度越大，反之速度越小。

圖14 噴嘴內(nèi)部壓力分布云圖

圖15 不同孔徑壓力降變化情況

液態(tài)水從噴孔噴出后，形成了一定的噴射區(qū)域，即含水量區(qū)域。由高含水量區(qū)域和低含水量區(qū)域組成了一塊三角形區(qū)域，由于液滴的擴(kuò)散，在含水量區(qū)域形成了一定的角度，即噴射角。如圖16所示，可以近似計(jì)算出含水量區(qū)域的面積與噴射角，變化規(guī)律如圖17所示。當(dāng)孔徑從0.8 mm增大至1.6 mm時(shí)，近似含水量區(qū)域面積擴(kuò)大112%，噴射角增大21.5%。

3.3 預(yù)測(cè)不同結(jié)構(gòu)的噴嘴噴射規(guī)律

為進(jìn)一步研究噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)液態(tài)水噴射規(guī)律的影響，建立不同孔長(zhǎng)與孔徑的噴嘴結(jié)構(gòu)模型，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均與上節(jié)表述一致。為了得到更加通用的結(jié)果，將變量參數(shù)β做量綱為一處理，定義β=L/R表征噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖16 噴射角與近似含水量區(qū)域面積云圖

圖17 不同孔徑的噴射角與近似含水量面積變化關(guān)系

設(shè)定相同進(jìn)口壓力條件下(P=1.4 MPa)對(duì)比液態(tài)水進(jìn)入不同結(jié)構(gòu)噴嘴的過(guò)程。圖18、19分別表示了不同孔徑的噴嘴噴射區(qū)速度分布和速度變化曲線，綜合分析可知，不同β值的噴嘴速度分布不同，噴射區(qū)內(nèi)液滴的高速區(qū)域隨著β值增大而擴(kuò)大，且隨著β值的增大，速度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在噴射區(qū)0.03 m處測(cè)得面平均速度，結(jié)果顯示，當(dāng)β值提高1倍時(shí)，速度提高81.4%，提升幅度較大，說(shuō)明β值的增大在一定程度上對(duì)液滴速度的提升有較為明顯的促進(jìn)效果。由速度曲線下降趨勢(shì)可知，隨著β值的增大，液滴速度衰減的趨勢(shì)逐漸變緩，故速度完全衰減的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，液滴的擴(kuò)散范圍逐漸增大。

圖18 不同結(jié)構(gòu)噴嘴的噴射區(qū)速度分布云圖

圖19 不同結(jié)構(gòu)噴嘴的速度變化曲線

圖20、21分別顯示了不同結(jié)構(gòu)的噴嘴含水量分布云圖和含水率變化曲線。綜合分析可知，β值不同的噴嘴的含水量分布不同，β值越大，流場(chǎng)中高含水量區(qū)域就越大；在整個(gè)噴射區(qū)內(nèi)，含水率隨噴嘴β值的增大逐漸提高，在噴射區(qū)0.03 m處測(cè)得的含水率結(jié)果表明，當(dāng)β值提高1倍時(shí)，含水率提高45.5%。由含水率曲線下降趨勢(shì)可知，隨著β值的增大，含水率衰減的趨勢(shì)逐漸變緩，完全下降的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，衰減距離也在逐漸增加。這是因?yàn)樵谙嗤M(jìn)口壓力條件下，速度與噴嘴的β值成正比，高速時(shí)將液滴射流到更遠(yuǎn)的區(qū)域，即液滴的擴(kuò)散范圍隨速度增大而逐漸擴(kuò)大，所以其含水量區(qū)域隨噴嘴β值增大而逐漸增大。即含水率下降速度與表征噴嘴的量綱為一的數(shù)值大小成反比。

圖20 不同結(jié)構(gòu)噴嘴的含水量分布云圖

圖21 不同結(jié)構(gòu)的噴嘴含水率變化曲線

不同結(jié)構(gòu)噴嘴的噴射區(qū)速度分布云圖(圖22)顯示，當(dāng)表征噴嘴結(jié)構(gòu)的量綱為一的β值提高1倍時(shí)，噴射角增大22.1%，近似含水量區(qū)域面積增大119%，且兩者在一定范圍內(nèi)均隨β值的增大而逐漸增大，原因與以上分析相吻合。

圖22 不同噴嘴結(jié)構(gòu)噴射角與近似含水量面積變化關(guān)系

4 結(jié)論

1) 增大進(jìn)口壓力、噴嘴孔徑和β值均促使液滴速度有一定幅度的提升，但隨著液滴擴(kuò)散至一定范圍，進(jìn)口壓力對(duì)速度的影響不再明顯。

2) 噴射區(qū)內(nèi)液滴速度衰減趨勢(shì)隨進(jìn)口壓力、噴嘴孔徑和β值增大而逐漸變緩，含水率變化規(guī)律與之相似。

3) 相較于改變噴嘴結(jié)構(gòu)，改變進(jìn)口壓力對(duì)噴射區(qū)內(nèi)含水率提升幅度的影響較小。

4) 噴射角與近似含水量面積隨噴嘴孔徑和β值的增大而逐漸增大。

5) 改變噴嘴結(jié)構(gòu)相較于改變進(jìn)口壓力對(duì)噴嘴噴射特性影響更大，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)能夠提升霧化性能。