王 珍(中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司,北京市100016)
噴霧蒸發(fā)中單個(gè)液滴蒸發(fā)特性的研究
王珍(中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司,北京市100016)
本文以高溫氣流中單個(gè)液滴蒸發(fā)為對象,建立液滴與氣流間的傳熱傳質(zhì)模型,分析單個(gè)液滴的運(yùn)動(dòng)過程和熱質(zhì)傳遞特性,計(jì)算獲取了液滴直徑和完全蒸發(fā)時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明,相同液滴初始條件下,來流溫度越高和速度越大,液滴與來流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過程越強(qiáng),液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越短,其中來流速度的影響主要體現(xiàn)在液滴剛剛進(jìn)入氣體的初期蒸發(fā)階段,而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發(fā),且通過增大液滴與來流間速度差,即可強(qiáng)化液滴的非平衡蒸發(fā)過程。
液滴;蒸發(fā);傳熱;傳質(zhì);仿真計(jì)算
噴霧蒸發(fā)技術(shù)是利用霧化裝置將原料液分散成細(xì)小的霧滴后,與流體介質(zhì)接觸蒸發(fā)的過程。系統(tǒng)深入研究單個(gè)液滴蒸發(fā)特性,分析各個(gè)因素對蒸發(fā)過程的影響,對理解噴霧蒸發(fā)技術(shù)很有必要。微細(xì)霧滴的熱質(zhì)傳遞行為是影響噴霧蒸發(fā)效率的關(guān)鍵因素,其包含傳熱和傳質(zhì)兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的過程。
孫慧娟等[1]對高溫燃?xì)庵袉蝹€(gè)液滴的蒸發(fā)建立了數(shù)理模型,研究結(jié)果表明燃?xì)鉁囟仍礁?,液滴最終達(dá)到的穩(wěn)定平均溫度越高,而燃?xì)馑俣葘σ旱蔚姆€(wěn)定平均溫度和完全蒸發(fā)時(shí)間沒有影響。馬力等[2]采用懸掛液滴的方對單液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明氣流速度對液滴的蒸發(fā)影響有限,不宜單純采取提高氣流速度來大幅加快液滴的蒸發(fā)。盧江等[3]針對單個(gè)液滴在高溫環(huán)境中的蒸發(fā)進(jìn)行了研究,認(rèn)為在液滴與所處介質(zhì)之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí),液滴與周圍介質(zhì)間的熱量和質(zhì)量傳遞會(huì)加強(qiáng)。劉乃玲等[4]建立了液滴蒸發(fā)非穩(wěn)態(tài)階段的數(shù)學(xué)模型,迭代求解表明,液滴非穩(wěn)態(tài)階段過程時(shí)間很短,液滴尺寸的變化很小。
本文以高溫氣流中單個(gè)液滴蒸發(fā)為對象,建立液滴與氣流間的傳熱傳質(zhì)模型,分析單個(gè)液滴的運(yùn)動(dòng)過程和熱質(zhì)傳遞特性,計(jì)算獲取了液滴直徑和完全蒸發(fā)時(shí)間的變化規(guī)律。
本文基于離散相模型進(jìn)行液滴蒸發(fā)過程的仿真分析,以直徑為20mm,長度為1000mm的圓管作為計(jì)算域,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量為867858個(gè),經(jīng)網(wǎng)格相關(guān)性驗(yàn)證滿足研究需求。本文所研究液滴初始直徑為50μm,圓管直徑與液滴直徑比為400,當(dāng)液滴處于圓管中心線附近時(shí),可認(rèn)為邊界層對液滴運(yùn)動(dòng)無影響。同時(shí)為了弱化圓管入口效應(yīng)的影響,液滴噴入點(diǎn)設(shè)置在入口下游2m處。入口條件設(shè)置為速度入口條件,出口條件為壓力出口條件,湍流模型采用k-ε模型,壁面為非滑移邊界條件和絕熱邊界條件。液滴為純水,液滴初始溫度為323K。
本文分別針對不同來流溫度(=443K,463K,483K,503K)、不同來流速度(V∞=10m/s,20m/s,30m/s,40m/s)、不同液滴初始速度(Vp,0=-20m/s,-10m/s,0m/s,10m/s,20m/s,30m/s,40m/s,50m/s)計(jì)算了蒸發(fā)過程中液滴直徑以及完全蒸發(fā)時(shí)間,獲取了液滴蒸發(fā)行為特性。
2.1來流流速V∞的影響(見圖1)
圖1 不同來流速度V∞下液滴完全蒸發(fā)時(shí)間τ(Vp,0=10m/s,Tp,0=323K,dp,0=50μm,T∞=443K)
圖1所示為液滴初始速度Vp,0=10m/s,來流溫度=443K時(shí),不同來流速度V∞對應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時(shí)間。對于相同的來流溫度和液滴初始條件,隨著來流速度的提高,液滴完全蒸發(fā)時(shí)間不斷降低。因?yàn)閬砹鳒囟却_定時(shí),液滴的平衡蒸發(fā)溫度也確定了,而來流速度的影響并不大,因此來流速度對液滴蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在液滴剛進(jìn)入來流氣體初期的非平衡蒸發(fā)階段,即對于相同的液滴初速度,當(dāng)來流速度越大時(shí),液滴與來流氣體之間的對流越強(qiáng)烈,伴隨著傳質(zhì)和傳熱過程更強(qiáng),因此液滴蒸發(fā)量越大。而本文所研究液滴尺寸較?。?50μm),在進(jìn)入來流氣體后很短時(shí)間(<0.05s)液滴溫度即達(dá)到平衡蒸發(fā)溫度,因此雖然來流速度可以顯著增強(qiáng)非平衡階段液滴的蒸發(fā)效果,但因?yàn)榉瞧胶鉅顟B(tài)維持時(shí)間較短,因此來流速度對液滴的整個(gè)蒸發(fā)周期的影響是有限。
2.2來流溫度T∞的影響
以來流速度V∞=10m/s,液滴初始速度Vp,0=10m/s為例,當(dāng)來流溫度T∞=443K時(shí),液滴完全蒸發(fā)時(shí)間=0.1361s,當(dāng)T∞升高至503K時(shí),減少至0.0929s??梢婋S著來流氣體的溫度升高,液滴完全蒸發(fā)時(shí)間將減小。主要因?yàn)殡S著來流氣體的溫度升高,液滴平衡蒸發(fā)階段的傳熱溫差增大,傳熱強(qiáng)度大,表明此階段液滴蒸發(fā)量大,因此液滴完全蒸發(fā)時(shí)間減小。
2.3液滴初始速度Vp,0的影響
圖2 不同液滴初始速度Vp,0下液滴完全蒸發(fā)時(shí)間τ(V∞=30m/s,Tp,0=323K,dp,0=50μm,T∞=443K)
圖2所示為來流速度V∞為30m/s,來流溫度為443K,液滴初始溫度為323K,液滴初始直徑為50μm時(shí),不同液滴初始速度對應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時(shí)間。對于外部環(huán)境條件相同的液滴,在其初始直徑相同時(shí),液滴的完全蒸發(fā)時(shí)間隨著液滴初始速度呈現(xiàn)著對稱分布的變化結(jié)果,而液滴完全蒸發(fā)時(shí)間最大的液滴初始速度對應(yīng)著當(dāng)?shù)氐膩砹魉俣?,本文中采用圓管模擬液滴外部環(huán)境,由于邊界層的影響,當(dāng)圓管入口速度為30m/s時(shí),液滴周圍速度實(shí)際約為35m/s,因此液滴完全蒸發(fā)時(shí)間最大時(shí)對應(yīng)的液滴初始速度為35m/s。
當(dāng)液滴初始速度大于或小于當(dāng)?shù)貋砹魉俣葧r(shí),液滴蒸發(fā)時(shí)間都將減小,因?yàn)楫?dāng)液滴速度與來流速度不一致時(shí),由于液滴四周邊界層中的對流作用,較相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),液滴的傳質(zhì)過程被強(qiáng)化,更大的水分蒸發(fā),因此蒸發(fā)速度也隨著增大。同時(shí),由圖2可見,通過增大液滴與來流的速度差,可強(qiáng)化液滴的非平衡蒸發(fā)過程,而不需要一味的增大液滴的初始速度。
本文建立了單個(gè)液滴在高溫氣流中運(yùn)動(dòng)和蒸發(fā)過程的仿真模型,分析了來流速度等因素對液滴蒸發(fā)行為的影響,總結(jié)出液滴蒸發(fā)影響因素的影響規(guī)律。相同液滴初始條件下,來流溫度越高和速度越大,液滴與來流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過程越強(qiáng),液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越短,其中來流速度的影響主要體現(xiàn)在液滴剛剛進(jìn)入氣體的初期蒸發(fā)階段,而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發(fā)。
[1]孫慧娟,張海濱,白博峰.高溫燃?xì)庵袉蝹€(gè)液滴的蒸發(fā)特性.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(7):833~837.
[2]馬 力,仇性啟,王 健,鄭志偉,易志勇,閻紅巧.單液滴蒸發(fā)影響因素實(shí)驗(yàn)研究.現(xiàn)代化工,2013,33(1):103~106.
[3]盧 江,余 敏,陶樂仁,趙吉哲.水滴蒸發(fā)的理論分析與蒸發(fā)時(shí)間的研究.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(1):36~38.
[4]劉乃玲,張 旭.液滴蒸發(fā)過程理論分析及非穩(wěn)態(tài)過程數(shù)值求解.制冷,2007,26(3):45~48.
O642
A
2095-2066(2016)31-0265-02
2016-10-9
王 珍(1983-),男,工程師,博士,主要研究方向?yàn)楦咝Ф嘞嗔鲃?dòng)仿真分析及節(jié)能減排技術(shù)研究。
王珍。