新型预混式气动喷嘴结构设计及其工作原理①
连晓燕１郝惠娣２王艳１
（１．宝鸡文理学院化学化工学院；２．西北大学化工学院）
摘要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。
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
中图分类号ＴＱ０５１．７＋３ 文献标识码Ａ文章编号 ０２５４-６０９４（２０１８）０２-０１７２-０４
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ＲＮＧｋ-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
２７１化工机械 ２０１８年
①基金项目：陕西省教育厅项目（１６ＪＫ１０４０）；宝鸡市科技局项目（１６ＲＫＸ１-４）；宝鸡文理学院校级重点项目
（ＺＫ１６１２８）。
作者简介：连晓燕（１９９０-），助教，从事新能源设备的模拟研究，１０６２７２６５６７＠ｑｑ．ｃｏｍ。
万方数据