噴射沉積氣體流場(chǎng)與霧化機(jī)制研究.pdf

1、霧化器的結(jié)構(gòu)對(duì)射流流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響,因而霧化器設(shè)計(jì)也是噴射成形及液體霧化領(lǐng)域至關(guān)重要的核心技術(shù)。本文運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對(duì)單級(jí)和雙級(jí)霧化器流場(chǎng)及流場(chǎng)中液體的波動(dòng)與破碎狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)研究分析,以期為實(shí)現(xiàn)對(duì)單相及兩相流場(chǎng)的有效控制奠定基礎(chǔ)。
　　采用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent提供的k-ε湍流模型和RSM湍流模型對(duì)四個(gè)不同出氣口交角的單級(jí)緊配合式霧化器氣體流場(chǎng)分析,結(jié)果表明霧化器在10atm的工作壓力下

2、隨著出氣口交角從5°增大到65°,k-ε湍流模型計(jì)算出的主射流區(qū)間散射角為15.0°到17.4°,而 RSM湍流模型給出的主射流階段張角為17.2°到19.0°,兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果相近。將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的氣體流速對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,其中 RSM模型相對(duì)精確。噴嘴出氣口噴出的氣體經(jīng)導(dǎo)液管保護(hù)套反射后會(huì)在導(dǎo)液管前方形成一個(gè)氣體流速的環(huán)峰。兩種模型給出的結(jié)果均顯示:隨著出氣口交角的增大,環(huán)形速度峰轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)速度單峰的合并位置

3、會(huì)逐漸遠(yuǎn)離導(dǎo)液管,并在導(dǎo)液管前方形成一個(gè)渦流區(qū)域,且該區(qū)域中心氣體反向流向?qū)б汗堋Ｍ瑫r(shí),在該區(qū)域內(nèi)沿軸線相對(duì)流動(dòng)的氣流交匯處會(huì)出現(xiàn)氣流速度接近于零的“駐點(diǎn)”。同時(shí),改變霧化器出氣口交角會(huì)對(duì)渦流區(qū)域的位置產(chǎn)生微弱的影響。流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析表明:對(duì)于不同工作壓力下處于穩(wěn)定狀態(tài)的氣體流場(chǎng),增加氣體壓力時(shí)不改變氣體流場(chǎng)結(jié)構(gòu),渦流區(qū)域的范圍與位置也不發(fā)生變化,氣壓的增加僅促使氣體流速的增加;從中心入口引入微弱的氣體擾動(dòng)將會(huì)在整個(gè)流場(chǎng)中產(chǎn)生周期性的氣體射

4、流波動(dòng)。
　　對(duì)于雙級(jí)霧化器,通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)確定了上下霧化器的裝配關(guān)系:上、下霧化器之間的裝配距離不大于15mm,下霧化器中心孔徑為65mm。上、下霧化器同時(shí)工作時(shí),上霧化器噴出的氣流可以有效地抑制上下霧化器之間的渦流區(qū)。當(dāng)下霧化器處于擺動(dòng)極限位置時(shí),可以有效地促使射流角度發(fā)生偏轉(zhuǎn):上、下霧化器工作壓力均為10atm且下霧化器擺動(dòng)5°時(shí),射流主段的偏轉(zhuǎn)角約為5°;只有下霧化器工作壓力為10atm且其擺動(dòng)角度為5°時(shí),射流主段的偏轉(zhuǎn)

5、角約為6°。
　　對(duì)霧化過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn):在一次霧化過(guò)程中液柱的Weber數(shù)在130.1～160.9范圍內(nèi)時(shí)為波動(dòng)破碎向膜狀破碎的轉(zhuǎn)變區(qū)間?！安▌?dòng)破碎”源于Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定影響,氣液界面的波動(dòng)導(dǎo)致大液滴的脫落和液柱的破碎。初級(jí)霧化中的“膜狀破碎”受到渦流區(qū)域的氣體靜壓力與動(dòng)壓力的共同作用并使液柱變形為液膜繼而破碎成小液滴。對(duì)破碎粉末觀察表明空心粉末的形成是液膜破碎震動(dòng)和自身表面張力共同作用的結(jié)果。
　　文

6、中還對(duì)不同直徑的入射液滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析。入射液滴會(huì)受到導(dǎo)液管前方渦流區(qū)域的作用,當(dāng)液滴入射速度為50m/s時(shí),直徑大于35μm的液滴會(huì)順利穿越導(dǎo)液管前方的渦流區(qū)域,其運(yùn)動(dòng)受渦流區(qū)的影響較小。直徑相同的液滴,入射速度越大則越容易穿越渦流區(qū)域。文中計(jì)算了50μm、100μm和150μm的液滴在相對(duì)氣體流速為100m/s與200m/s的流場(chǎng)中液滴內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布,在給定條件下液滴的冷卻速度范圍集中在104～105數(shù)量級(jí)。三個(gè)直徑的液滴在1