新型预混式气动喷嘴结构设计及其工作原理

连晓燕;郝惠娣;王艳

【摘 要】A new type of premixed pneumatic nozzle was designed based on the crushing theory, in which, the gas flows into the vortex chamber from the tangential flow channel and the liquid to be broken flows into from the center pipe at the top of the nozzle.Having CFD technology adopted to simulate both velocity distri-bution and ejection effect of the nozzle structure of ladder type without expansion section and laval type was im-plemented to indicate that the nozzle of laval type is the best in the structure.Comparing the the ejection effect of the laval nozzle with four and double channels respectively shows that,the laval nozzle with multi flow chan-nels has poor vortex effect.Through analyzing the interaction of the rotational gas and the liquid in the center and the deceleration and supercharging of the expansion section,the operating principle of the double-channel laval nozzle was further explored.%基于破碎理论设计了一种新型预混式气动喷嘴,气体作为旋流流体从切向流道通入旋流室,而待破碎液体则从喷嘴顶部中心管通入.首先采用CFD技术模拟了阶梯型、无扩张段和拉瓦尔型喷嘴的速度分布情况和喷射效果,确定最佳结构为拉瓦尔型.然后对四流道和双流道拉瓦尔型喷嘴的喷射效果进行了比较,发现流道多反而影响旋流效果.最后通过旋流气体与中心流入液体的相互影响和扩张段的减速增压作用进一步探索了双流道拉瓦尔型喷嘴的工作原理.

【期刊名称】《化工机械》

【年(卷),期】2018(045)002 【总页数】4页(P172-175)

【关键词】预混式气动喷嘴;拉瓦尔型;双流道;结构设计;工作原理 【作 者】连晓燕;郝惠娣;王艳

【作者单位】宝鸡文理学院化学化工学院;西北大学化工学院;宝鸡文理学院化学化工学院

【正文语种】中 文 【中图分类】TQ051.7+3

喷嘴是湿法烟气脱硫塔的关键部件[1]，其结构性能对脱硫剂的用量、脱硫效率等有很大影响。虽然前人已做了一定的研究[2～6]，但在实际生产中，往往由于喷嘴结构参数不合适、性能不佳导致脱硫塔内出现雾化效果差、气液分布不均匀等问题，阻碍化工生产的整体进程，造成环境污染，因此对喷嘴结构性能进行研究具有十分重要的意义。

笔者在普通旋流喷嘴的基础上运用CFD技术[7～10]对喷嘴结构进行优化设计和工作原理研究，并将模拟结果以云图体现，为后续探讨喷嘴性能奠定基础。 1 新型喷嘴结构设计

新型喷嘴结构的设计理念为：使液体处于高速旋转运动的气流中，利用流体速度差产生的惯性力克服液体的表面张力，使得液体被旋转剥离且随着气体一起旋流，并在离心力作用下以薄膜状态分布于喷嘴壁面，从喷口喷出后在外部气体作用下进一步被破碎，达到雾化的目的[11,12]。该喷嘴具有与旋流喷嘴类似的结构，只是将

液体从中心管通入，液体流量只受中心管管径大小控制。由于中心管管径没有突变，因此不易堵塞。喷嘴内部旋流的介质为气体，因此旋流时介质对喷嘴内壁的腐蚀可忽略。因旋转气体主要影响液体的周向速度，液体可以以较低的速度喷入喷嘴，因此入口和出口轴向速度相差不大。且液滴出口速度比较小，可以保证气液两相在脱硫塔内充分接触。

笔者设计了阶梯型喷嘴、无扩张段喷嘴和拉瓦尔型喷嘴。其中，拉瓦尔型喷嘴渐扩段相当于将前面渐缩段受空气挤压的液体置于大空间，使液体表面不稳定性急剧增强，从而达到外界气体对液膜扰动破碎的目的。 2 模型建立

喷嘴几何模型如图1所示。由于笔者只对流体进行模拟，故对固体域进行抑制，对流体域进行网格划分，整体网格数量50万左右，划分情况如图2所示。 数值求解边界条件为速度入口5m/s，壁面为光滑壁面，出口为大气压力出口，回流采用全空气回流。

数值求解过程采用RNG k-ε湍流模型，模拟的两相流模型为VOF模型，求解器选用压力基求解器，采用SIMPLEC算法进行计算。对于单元体 图1 喷嘴几何模型 图2 网格划分

内节点的数值梯度采用Green-Gause方法，对于离散相插值采用二阶迎风格式。对于气液两相选择连续相气体为第1项，液体为第2项。采用小粘度流体水和空气做近似模拟，以探索喷嘴的基本结构，为后续大粘度流体的模拟奠定基础。 3 模拟分析 3.1 喷射效果比较

为了得到较为理想的喷嘴结构，笔者在模拟中加入了一定的外区域，以直观显示喷射效果。3种喷嘴的速度云图如图3所示。

图3 3种喷嘴的速度云图

从图3a可以看出，阶梯型喷嘴中气体对液体的扰动作用比较弱，且由于结构的突变导致流体速度有较大突变，喷口水流速度达15～20m/s，阶梯效应较为严重。 从图3b可以看出，流体速度在喷嘴出口处迅速增加，出口附近的外区域速度也比较大。出口一定区域内水沿半径方向射出，流体中心速度较大，可达17～21m/s，且此高速流体在喷口处持续距离较长，这就需要设置扩张段，使喷出液体的一部分动能转化为压力能，在一定程度上减小喷射液体的轴向速度，使气液两相充分接触，有利于气流对液柱的破碎。

从图3c可以看出，水进入旋流室一定区域后，被气体带动达到加速的目的，说明该喷嘴可以利用旋转气体达到对液体扰流的目的。且出口处速度比较均匀，验证了扩张段对流体动能的转化作用。

由上述分析可知，拉瓦尔型喷嘴是比较适宜的结构。对喷嘴外部区域液滴的分散状况予以分析，截取了水体积分数为0.3的等值面图，如图4所示。可以看出，在喷嘴出口区域能够达到较好的液体破碎效果，液体基本呈滴状或膜状分布，较好地实现了液体雾化。

3.2 双流道拉瓦尔型喷嘴的工作原理

图5a、b分别为四流道和双流道喷嘴空气速度迹线图，可以看出，四流道喷嘴有一个致命的缺陷，即流道数量较多，从每个流道进入的流体都要进行旋流，多流道进入的流体之间会相互影响、相互抑制，导致充分旋流所需要的旋流室尺寸将非常大，并且流体相互作用使得流线趋向于轴线方向，旋流效果并不理想。为了进一步解释双流道拉瓦尔型喷嘴的工作原理，笔者截取了液体的速度迹线图如图5c所示，可以看出，由中心管流入的液体在气体旋流运动的带动下随之一起做旋转运动，在出口附近被充分加速，而被加速的主要部位在压缩段。扩张段的设置使得液体旋转速度减小，达到了增压减速的目的，因而在喷出后就更容易被破碎，从而增强雾化

效果。

图4 拉瓦尔型喷嘴喷射液滴图

图5 拉瓦尔型喷嘴速度迹线图

双流道拉瓦尔型喷嘴模拟结果如图6所示。由图6a可以看出，进口处连续的液膜在出口处基本上被打散，已被充分破碎的液膜分布于整个出口截面。这样喷射出的液膜将更不连续，有利于在空气中被进一步打散。由破碎理论可知，当液体与气体相对运动速度较大，且速度轴向分量不是很大时破碎效果较好，也有助于增加气液接触时间。由图6b可以看出，喷嘴出口速度矢量分布相对均匀，能够形成较大的扩张角，且速度相对较大，因而对于在出口处已经被分层薄膜化的液体来说，容易进一步被破碎，因此双流道拉瓦尔型喷嘴结构合理。 图6 双流道拉瓦尔型喷嘴模拟结果 4 结论

4.1 以破碎理论为前提，提出了一种新型预混式气动喷嘴，以气体作为旋流介质可以减少对旋流室内壁的腐蚀磨损，液体作为被破碎流体从喷嘴顶部中心管通入。 4.2 通过对喷嘴结构进行模拟比较，发现阶梯型和无扩张段喷嘴喷口流体轴向速度较大，不利于气液充分接触。而拉瓦尔型喷嘴设置了扩张段后可以减小流体速度，增大气液接触时间，故选取最佳结构为拉瓦尔型。

4.3 四流道喷嘴因流道之间的相互抑制干扰，致使旋流流体趋于轴向，影响整体旋流效果，故选取双流道。

4.4 通过旋流室内气体对液体的扰动影响和扩张段的减速增压作用，探索了双流道拉瓦尔型喷嘴的工作原理。模拟结果表明，液膜在喷口截面上不连续性显著增强，且扩张角较大，易于被进一步破碎。 参 考 文 献

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