多相流基础 Chapter4 可变形颗粒动力学.pptx

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煤燃烧国家重点实验室SKLCC,第四章可变形颗粒动力学,41液体的雾化当液体的流速极低或者相当高时，在气体中或者其它液体中将会形成液滴，即出现所谓的液体雾化液体雾化的基本机理是液体自由表面的失稳，取决于：

扰动的振幅，无限小还是有限大；流场的形状，液体射流、液体薄片、大液滴分裂等；流场中的主要作用力，表面张力、粘性力、压力、离心力和（或）静电力。

煤燃烧国家重点实验室SKLCC,1、流体流动稳定性中扰动幅度的影响,对于无限小扰动，有比较完善的流动稳定性理论，可给出扰动一开始将发展还是受抑制的条件；对于有限大扰动，尚无精确的稳定性理论，大多雾化的研究是实验研究；可用某些重要的无量纲参数处理实验数据；,5）对一个直径为d的大液滴的分裂，取L=d,=g,U=Ug-UL,则，若We12，则液滴将分裂。

4）引入韦伯数：

We,LU2T,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,2、液体系统的外形,液体的雾化取决于液体的形状；实用中应以最小的代价使液体在最大的面积上分裂并散开；一种可改善雾化过程性能和雾化效果的方法是采用扇形喷嘴以形成液体薄片，在有限扰动时分裂成细条，直至再分裂成细小液滴；扰动的增长速度取决于韦伯数和雷诺数。

煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3、各种雾化方式及装置中的各种力,1）压力雾化强制液体通过一个小孔以达到液体的雾化。

主要力：

通过小孔的压力，液体的表面张力，液体粘性力；流量取决于压降；主要的无量纲参数为韦伯数和雷诺数。

2）离心力压力雾化,流体的流量由通过喷嘴的压降控制；在喷嘴前对液体提供离心加速度或作旋涡运动的动力；液体的有效韦伯数会因旋转而增大，从而得到更好的雾化。

煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3、各种雾化方式及装置中的各种力,3）气动雾化液体射流或液滴处于高速射流中，在气速达到某一临界值时发生的分裂。

广泛应用于火箭发动机中的燃烧过程；韦伯数中的特征速度应取气体速度。

4）超声雾化液滴用频率为的超声波分裂,液滴的大小取决于超声波的频率；将频率和液滴直径乘积作为特征速度；,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,l,We,4）超声雾化d33,T若雾化过程发生在We的某个临界值以上，We=K3,则1/3,l,T2,dK,TE,RE,2,1d,2,5）静电雾化静电力加于液体射流，主要力为表面张力和静电力R,1E2d,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,42单个液滴的运动,1、下垂液滴的状态方程,zb,2,处的曲率半径，b为原点处的曲率半径；,1sinR/bx/bR为点（x,z）=-b2g/,T,为点（x,z）,处的倾斜角。

决定液顶的形状；b决定液滴的大小。

下垂液滴的头部形状,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,2、下垂液滴的运动1）对于巨大介质中的一个孤立液滴，达到终端速度时的受力,lg,Vdg,gVt,CDAd,2,12,Ad,为液滴的正投影面积，Vd为液滴体积,2）考虑液滴为具有粘性的流体球，在Stokes流动范围内，,液滴的终端速度,R,gl,l,g,C,Df,Re,24H,2423Re33,R,g,lg,t,H,g,V,18,d2,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3）液滴因周围介质的剪切作用，达到终端速度时的受力,k为阻滞效率引起的系数，取决于环流型式及Re数对于非球形液滴，CD应取实际液滴形状的系数值；对于大液滴，在下落过程中液滴将发生改变：

大液滴扁平液滴分裂成小液滴,c,gl,l,g,C,Df,2423k24HRe33kRe,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,43液体燃料的雾化性能,1、雾化角指喷雾出口到雾炬外包络线的切线间的夹角，也称喷雾锥角,雾化角示意图,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,1、雾化角雾化角过大,油滴会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以至增加燃烧不完全损失，降低燃烧效率；会因燃油喷射到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰。

雾化角过小,燃油液滴不能有效分布到整个燃烧室空间；与空气的不良混合，局部空气系数过大；燃烧温度下降，着火困难，燃烧不良。

一般雾化角在60120范围内喷嘴直径和喷射压力增加，雾化角增大,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,66,ili,ili,SMD,ili,SMD,ili,SMD,Nd2,Nd3,d,Nd2,SNd2,Nd3,d3,2、雾化液滴细度雾化后的液滴大小是不均匀的，可相差50100倍1）索太尔平均直径（SMD）按所测得的所有液滴总体积与总表面积计算N,V,2）质量中间直径,llm,llm,d,d,Md,Md,液滴过粗：

燃尽时间延长，燃烧速率降低；液滴过细：

易为气流带走，造成燃料浓度不均对重油雾化，细度100200m粒度40400m,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3、雾化均匀度,雾化后的液滴颗粒尺寸的均匀程度均匀度差：

大液滴数目较多，对燃烧不利；均匀度过好：

大部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定性和可调节性变差。

雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,4、雾化射程,水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能达到的平面与喷口距离射程较短：

雾化角大，雾化粒度很细；射程较长：

密集喷雾炬，吸入空气量较少。

5、流量密度分布在单位时间内，通过与喷射方向相垂直的单位横截面上液体质量（体积）径向分布,燃料分布特性,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,44液滴的蒸发,1、液滴蒸发时的Stefen流液滴在静止高温环境下蒸发驱动力：

与蒸汽含量差；与周围介质温差；,-,-,产生的蒸汽向外界扩散途径：

液滴蒸汽的分子扩散；蒸汽、气体以某一宏观速度ugs离开液体表面的对流流动。

煤燃烧国家重点实验室SKLCC,液体周围成分分布,空气中蒸气质量分数,mxg-空气中空气质量分数mlgmxgs-液滴表面蒸气质量分数,mlgs液滴表面空气质量分数,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,1、液滴蒸发时的Stefen流由于含量梯度存在：

蒸气不断从表面向外扩散；空气从外部环境向液滴表面扩散，但不能进入液滴或在表面凝结；为平衡空气的扩散趋势，会产生反向流动，即以液滴中心为源的Stefen流,g,gugmxg0,dmDxgdr,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,2、相对静止环境中液滴的蒸发,当周围介质的温度低于液体燃料沸点时，液滴比蒸发率为,g,lgs,glgs,1,dmlgdr,ml,0,4rDmm,q4r2D,rr1,高温下液滴蒸发的能量平衡图,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,2、相对静止环境中液滴的蒸发,液滴所得热量等于蒸发所需热量时的温度称为液滴蒸发的平衡温度液滴表面的蒸气比流速率为,g,1gsgslgs,dmlgdr,ml,0,4r2um,q4r2D,rr1,经变换，在相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率,B,mlgs,qml,0,1,4r1Dgln1Bmlgsmlg,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,2、相对静止环境中液滴的蒸发,B值的物理意义为：

在蒸发和燃烧过程中，出现了Stefen流后，就需用无因次迁移势考虑对不同燃料在空气中的B值近似为常数不同燃料的B值,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3、液滴群的蒸发,在实际喷嘴雾化过程中，液滴是由大小不同的液滴组成；根据雾化均匀度分布，单位体积液雾具有直径d1的液滴颗,粒表达式,1,dNn,n,expd1/dlmdd1,dn,lm,6dn4,经过时间蒸发后，所剩下的液滴直径为1/2,11,01,K,d2,d,在时间后凡是颗粒直径小于（K1）1/2的液滴已全部蒸发；此时的单个液滴体积为,1,1,6,K,d2,V,煤燃烧国家重点实验室SKLCC,3、液滴群的蒸发,1,在时间后未蒸发完的所有液滴的总体积3/2,1,1,1/2,d2,Vn,nK1expd1/dlmdd,K1,dn,lm,dn4,经过后未蒸发的不同尺寸液滴的百分含量（体积）和液滴直径数,