Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布_纪利俊

第23卷第4期高校化学工程学报No.4 Vol.23 2009 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2009稿件编号：1003-9015(2009)04-0577-05
Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布
纪利俊1, 陈葵1, 武斌1, 朱家文1, 刘海峰2
(1.华东理工大学化工学院, 2. 华东理工大学资源与环境学院, 上海 200237)
摘要：索特平均滴径(SMD)和滴径分布是描述喷嘴雾化性能的主要指标。

根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型
喷嘴的液滴随机分裂模型，得到了SMD的表达式。

考察了Y型喷嘴对氯化聚氯乙烯(CPVC)氯化液的雾化过程，利用
Mastersizer2000型测粒仪测定了雾化滴径分布。

关联了SMD的经验方程，得到了初次雾化平均滴径。

采用液滴随机分裂
模型模拟计算了雾化滴径分布，计算结果与实验结果吻合，说明模型和平均滴径方程可以用来预测Y型喷嘴的雾化性能。

关键词：喷嘴；气流式；雾化；滴径；随机分裂
中图分类号：TQ051.73 文献标识码：A
Droplet Size and Droplet Size Distribution of Y-Type Air-Blast Nozzle
JI Li-jun1, CHEN Kui 1, WU Bin 1, ZHU Jia-wen 1, LIU Hai-feng 2
(1.College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology; 2.College of Resource
and Environmental, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract：Sauter mean diameter (SMD) and droplet size distribution are important parameters for description of atomization property of a nozzle. In this paper, a stochastic breakup model was presented according to the atomization characteristics of the Y-type air-blast nozzle, and the equation for SMD calculation was obtained based on the model. Atomization process of chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) solution was investigated with Y-type air-blast nozzle. The droplet size distribution was measured by using Malvern Mastersizer of type 2000. Based on the experimental data, the SMD equation was fitted and the mean droplet diameter of initial breakup was obtained. According to the stochastic breakup model, the droplet breakup process was simulated with Matlab 6.5. The simulation results of the droplet size distribution agreed well with the experimental data. With the equation of SMD and the model, the SMD and the droplet size distribution of Y-type air-blast nozzle can be predicted satisfactorily . Key words: nozzle； air-blast；atomization；droplet size；stochastic breakup
1引言
气流式雾化是指液体在高速气流的冲击作用下破碎成为微小液滴的过程。

与压力雾化喷嘴不同，气流式雾化喷嘴能有效促进气液两相的混合，因而在液体燃料的燃烧与汽化、干燥、粉末冶金、航空航天等领域有广泛的应用[1~5]。

根据气液混合方式的不同，气流式雾化喷嘴可分为内混式喷嘴和外混式喷嘴两类。

Y 型喷嘴是一种内混式气流雾化喷嘴，其雾化机理最先由Mullinger[6]提出，认为液体进入混合孔后，在气流的作用下，气液两相在混合孔内形成环状流，气、液两相界面上发生强烈的动量交换，以达到加速液流实现雾化的目的。

Y型喷嘴具有雾化质量好，调节范围大和结构简单等优点，特别适用于高黏度液体的雾化。

溶剂法生产氯化聚氯乙烯(CPVC)树脂中，氯化完成后形成的氯化液是CPVC树脂的有机溶液，经喷雾脱溶剂后得到CPVC树脂。

氯化液经喷嘴雾化后，比表面积迅速增大，强化了溶剂脱除中的传热及传质过程，雾化质量的优劣是影响脱溶剂效果的关键因素之一。

本文以氯化液喷雾脱溶剂为背景，根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，研究了雾化的平均滴径与滴径分布。

收稿日期：2008-12-17；修订日期：2009-04-22。

基金项目：上海氯碱化工股份有限公司电化厂提供资助。

作者简介：纪利俊(1972-)，男，山东青岛人，华东理工大学讲师，博士。

通讯联系人：陈葵，E-mail：chenkui@
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2 理论分析
2.1 雾化滴径及其分布预测方法
由于雾化过程的复杂性，雾化的机理还不是很清楚，而且它受诸如气液速度、液体和气体的物性、破碎所产生液块的形状、雾化装置的设计等因素影响较大。

随着实验手段和理论水平的发展，对气流雾化的研究不仅仅限于唯象的层次，人们通过实验现象的测试与分析揭示雾化的机理与规律，进而采用合理的数学物理模型和有效的数值方法模拟复杂的雾化过程，预测各种因素对雾化性能的影响和雾化场的最终特性。

2002年，Babinsky 和Sojka [7]将描述气流式雾化过程的滴径的方法归纳为经验法、最大熵法(ME 法)和离散概率函数法(DPF 法)。

2003年，Gorokhovski [8]和Apte 等[9]将Kolmogorov 的固体颗粒破裂假设应用于气流式雾化过程的滴径分布计算。

Kolmogorov 理论认为，一个母代固体颗粒破裂成一定数目小颗粒的概率与母代颗粒的大小无关，即分裂过程是一自相似的过程。

周炜星[10]等的液滴随机分裂方法本质上也属于这一类方法，他们通过一个母代液滴分裂成两个质量分数在[0,1]间均匀分布的子代液滴的简单模型探讨了液滴分裂过程的自相似性。

刘海峰等[11~13]在周炜星等的液滴随机分裂模型基础上，进一步提出了液滴有限随机分裂模型，并成功应用于双通道和三通道喷嘴气流式雾化过程研究。

2.2 Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型
液滴随机分裂模型是一个通用的简化的液滴分裂过程的基本模型，应用于不同的喷嘴和雾化介质，需要根据喷嘴结构、雾化介质和操作条件等确定具体的模型参数。

根据液滴随机分裂模型基本原理，结合Y 型喷嘴雾化过程的特点，提出了如下的适用于Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型。

模型假设为：
(1)Y 型气流式喷嘴的雾化过程分为初次分裂和二次分裂两个过程； (2)初次分裂生成的液滴具有一定的大小和分布；
(3)二次分裂时，不考虑液滴的聚并，或者考察液滴分裂和聚并的动态过程的合效应； (4)每个液滴生长一代后可以分裂成两个，生成液滴的质量百分比满足[0,1]上的均匀概率分布。

以上假设中的液滴分裂模式与周炜星[10]等的液滴随机分裂模型相同，液滴分裂过程的示意图见图1。

与周炜星的模型的不同之处在于，假设(3)考虑了初次分裂生成的液滴的大小和分布，符合人们对初次分裂过程的研究结果。

上述模型假设中，需要确定的模型参数主要是初次分裂后生成的液滴大小和分布。

Villermaux [14] 和Marmottant [15] 发现，气流式雾化初次分裂后生成的液滴分布符合如下关系：
1B e ()n n nx
n P x n −−=Γ (1)
式中，0
D
x D =，D 和D 0分别为滴径和初次分裂平均滴径；()n Γ为
Gamma 函数。

采用上式作为初次分裂后生成的液滴，其中的2个参数，初次分裂平均滴径D 0和n 由实验数据确定。

2.3 雾化平均滴径
液体的气流式雾化过程可以分为近喷嘴区域的初次分裂和离喷嘴较远区域二次雾化。

以下根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，应用于二次雾化过程，得到气、液质量流量与索特平均滴径SMD 的关系。

根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，第j 代和j ＋1代液滴的SMD 满足：
1SMD const SMD j j
+= (2)
式(2)是液滴分裂过程自相似假设的必然结果，说明 {}j SMD 是一个等比级数[11,13]。

因此有：
SMD j j
D C = (3)
当液滴直径满足上述关系时，根据液滴在气流中的分裂时间和运动过程分析，文献[12]
推导出了雾化平
图1 液滴分裂过程示意图
Fig.1 Schematic diagram of droplet breakup
第23卷第4期 纪利俊等：Y 型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布 579
均滴径方程：
()()35G L 605/3G G 4G
SMD N C C u u C
D u u C u ′−−=−′′′ (4) 对于Y 型喷嘴，气液从分离态到相互接触时间τd ＝0，即上式中的参数C 6=0。

因为液膜初始速度远小于气流速度，忽略u L 可得：
()1/3
0G
SMD 'N D C u ′=− (5)
其中，G
u ′为同轴射流的特征气速，G
G
1u u m
′=+。

Villermaux 等[15]发现，初次分裂生成的液丝长度随气流速度变化不明显，所以液滴初始的平均滴径0
D 近似为常数，并且不随气流速度变化。

即
1/3
G 12SMD 1u a a m ⎛⎞
=−⎜⎟
+⎝⎠
(6)
根据文献[12]对式(4)的推导过程，参数C 3~C 6与气、液物性有关，因此式(6)中的a 2亦是与气、液物性相关的参数。

3 实验结果及分析
3.1 实验条件
实验在氯化聚氯乙烯氯化液的喷雾脱除溶剂热模装置上进行，雾化剂为水蒸汽。

实验所用的Y 型喷嘴采用316L 不锈钢加工而成，结构和尺寸见图2。

水蒸汽进口与氯化液进口直径均为5 mm ，气液两相进管夹角为90°，喷嘴出口直径为10 mm 。

氯化液在雾化室内雾化并脱除大部分溶剂，形成的固化树脂落入雾化室底部的热水中，通过雾化室底部的取样口收集。

实验用氯化液中的溶剂为氯苯，氯苯的质量百分含量为84%~85%，雾化室温度为95~99℃，实验条件见表1。

由于氯化液浓度接近
饱和，且雾化室温度超过了水与氯苯的共沸点(90.2℃)而低于氯苯的沸点(131.7℃)，雾化形成的液滴外表面首先形成固化外壳。

随着氯苯的脱除，液滴逐步固化形成多孔的树脂颗粒，雾化形成的液滴直径可用树脂颗粒直径近似替代[16]。

在树脂颗粒直径采用Malvern 公司的Mastersizer 2000型测粒仪测定。

测定前先将树脂在无水乙醇中搅拌浸泡，再经超声波分散以消除颗粒粘连对粒径测定的影响。

为减小测定的随机误差，每个样品重复测量3次，最后取其算术平均值。

3.2 滴径的分布特征
根据滴径测定结果，图3给出了W G ＝28.8 kg ⋅h −1，W L ＝14.5 kg ⋅h −1条件下的滴径频率分布和累积体积分布，实验各操作条件下的滴径频率分布特征与图3相似，滴径频率分布曲线是以尖而陡为特征的，滴径小于60μm 的占绝大多数。

从图3还可以看出，累积体积分布与Rosin-Rammler 分布(R-R 分布)吻合良好。

R-R 分布：
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛−−=N
p
X d
R exp 1 (7) 3.3 平均滴径方程的关联
根据各工况下滴径实验结果，采用非线性最小二乘法拟合得到式(6)中的模型参数，其中a 1=404.2，a 2 =66.5。

因此，平均滴径方程为：
图2 喷嘴的结构和尺寸 Fig.2 Drawing of experimental nozzle
表1 实验条件
Table 1 Experimental conditions
W G
/ kg ⋅h −1
W L / kg ⋅h −1
ρL / kg ⋅m −3
μL / Pa ⋅s
19.1~31.1
11.9~18.5
1226 0.696
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60
80100120140160
N
SMD / µm
图5 N 与SMD 的关系
Fig.5 Relationship between N and SMD
-6-4
-2024
6
R e l a t i v e e r r o r / %
SMD / µm
图6 计算结果与实验结果的相对误差分布 Fig.6 The distribution of relative error
0.00.20.40.60.8
1.0
1.2
n /Σn / %
d p / µm
R
图3 滴径的分布特征 Fig.3 Characteristics of drop
size distribution
6080
100
120
140
160
C a l c u l a t e d v a l u e o f S M
D / µm
Experimental value of SM D / µm
图4 计算结果与实验结果的比较 Fig.4 Comparison of simulated value with
experimental value of SMD
1/3
G SMD 404.266.51u m ⎛⎞
=−⎜⎟
+⎝⎠
(8)
全部计算结果与实验结果的比较见图4。

式(8)计算结果与实验结果的最大相对误差为13.6%，平均相对误差为3.58%。

参数a 1就相当于初次分裂生成液滴的平均滴径，即式(1)模型参数中的初次分裂平均滴径D 0＝404.2μm 。

模型参数a 2与雾化体系的气、液物性有关，它的大小反映了雾化的难易程度，a 2越大，雾化越容易。

3.4 滴径分布模拟计算
根据前述的液滴随机分裂模型的基本假设，对实验各工况进行了计算机模拟，相关计算采用Matlab 6.5完成。

设定初始液滴数目为1000个，由于液滴分裂后期生成的液滴数目巨大，计算中当液滴数目大于106个时，从全部液滴中只抽取一半进行计算，模拟计算结果表明这对计算结果没有显著影响。

对计算得到的每一代液滴，按R-R 分布拟合了滴径分布参数N 。

计算流程如下：
(1) 输入计算条件，即初次分裂生成液滴的平均滴径和参数n ；
(2) 对当前代液滴进行分析，当液滴数目大于106个时，从全部液滴中只抽取一半进行计算；对于每个液滴，生成子代液滴的重量百分比满足[0,1]上的均匀概率分布；
(3) 对生成的下一代全部液滴，用非线性最小二乘法按R-R 分布拟合滴径分布参数N ； (4) 重复(2)、(3)到指定代数，计算终止。

计算了实验各工况下SMD 与R-R 分布参数N 的关系，计算中发现，当式(1)中的参数n ＝10时，计算结果与实验结果吻合很好，结果见图5。

第23卷第4期纪利俊等：Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布581
由图5中N与SMD的关系的计算结果可知，随着SMD增大，计算的N值增大，在实验范围内反映了N随SMD的变化趋势。

从图6不同SMD下N的计算值与实验值的相对误差分布可以看出，当SMD较小时，N的计算结果多呈正偏差，当SMD较大时，N的计算结果多呈负偏差。

N的计算结果与实验结果的最大相对误差小于5％，也说明模型基本反映了雾化滴径分布的特征。

4结论
(1) 根据所建立的Y型气流式喷嘴液滴随机分裂模型，通过理论分析得到平均滴径SMD的两参数方程，根据实验数据关联得到了氯化液雾化平均滴径方程，确定了模型参数D0。

(2) 利用模型对实验各工况条件下的滴径分布进行了模拟计算，计算结果与实验结果吻合较好，说明该模型可以较好地预测平均滴径与滴径分布之间的关系。

符号说明
⎯索特平均直径，μm
a1, a2⎯常数 SMD
C,'C,C3~C6u G⎯气体速度，m⋅s−1
⎯常数u G′⎯同轴射流的特征气速，m⋅s−1
d p⎯液滴直径，μm u L⎯液体速度，m⋅s−1
D⎯滴径，μm W G⎯水蒸汽质量流率，kg⋅h−1
D0⎯初次分裂平均滴径，μm W L⎯氯化液质量流率，kg⋅h−1
m⎯液气质量比X⎯颗粒特征直径，μm
n⎯模型参数ρL⎯氯化液密度，kg⋅m−3
N⎯滴径分布参数μL⎯氯化液黏度，Pa⋅s
P B⎯初次分裂的滴径分布下标
R ⎯颗粒直径在d p以下的累积体积分数N ⎯液滴分裂的总代数
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