第62卷第1期化工學(xué)報Vol. 62 No. 12011年1月CIESC JournalJanuary 2011研究論文水煤漿氣流霧化的初次破裂特性程維,趙輝,孟沁瑋,李偉鋒,許建良,劉海峰(華東理工大學(xué)煤氣化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200237)摘要:以水煤漿和空氣作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì),利用高速擾像儀對同軸雙通道噴嘴水煤漿氣流霧化的初次破裂過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)考察了在噴嘴出口附近水煤漿的射流核心長度和振蕩頻率等特征。研究結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)中水煤漿的破裂模式為非軸對稱雷利破裂模式,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,得到了漿體的量綱1射流核心長度與氣速和液速之間的關(guān)系式。霧化過程中漿滴的產(chǎn)生與水煤漿射流振蕩有關(guān),研究了其 Strouhal數(shù)與 Weber數(shù)和液體 Reynolds數(shù)之間的關(guān)系關(guān)鍵詞:氣流霧化;水煤漿;射流核心長度;振蕩頻率中圖分類號:TQ022.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:0438-1157(2011)01-0025-07Primary breakup characteristics of air-blast atomizationof coal-water slCHENG Wei, ZHAO Hui, MENG Qinwei, LI Weifeng, xU Jianliang, LIU Haifeng(Key Laboratory of Coal Gasification of Ministry of Education, East China University of Science andTechnology, Shanghai 200237, China)Abstract: The primary breakup process of coal-water slurry (CWS)of the coaxial air-blast atomizer hasbeen studied by a high-speed camera. The jet core length and oscillating frequency of coal-water slurry inthe near-fieldigated. The results showed that the breakup process of Cws wasperformed in the non-axisymmetric Rayleigh-type breakup regime in the experiment. The equation ofdimensionless liquid jet core length with gas jet velocity and liquid jet velocity was obtained. The oscillatingfrequency was characterized by the Strouhal number. The relationship between the Strouhal number andWeber number & Reynolds number of liquid was investigatedKey words: air-blast atomization; coal-water slurry; liquid jet core length; oscillating frequency對工程實(shí)踐有明確的指導(dǎo)意義氣流霧化效率高、能耗低,應(yīng)用極為廣泛,大水煤漿(CWS)具有便于輸運(yùn)等優(yōu)點(diǎn),廣泛量的學(xué)者對其進(jìn)行了理論研究3和實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用于氣化爐、鍋爐燃燒等領(lǐng)域中口2。但水煤漿氣流霧化分為初次破裂和二次破裂兩個過程。初次為非牛頓流體,濃度高、黏度大,霧化較為困難。破裂是指氣、液間相互作用引起液體表面不穩(wěn)定波對水煤漿霧化的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)價值,還的增長,導(dǎo)致液體射流破裂的過程,其產(chǎn)生的液滴2010—05-28收到初稿,2010-08-14收到修改稿Received date: 2010-05-28.聯(lián)系人:劉海峰。第一作者:程維(1985-),男,碩士研Corresponding author: Prof. LIU Haifeng, hfliuGecust. edu. cn究生Foundation item: supported by the National Natural Science基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50776033);國家重點(diǎn)基 Foundation of China(50776033), the National Basic Research礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項(xiàng)目(2010CB227004);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支 Program of China(2010B227004) and the New Century Excellent持計劃項(xiàng)目(NCET08-0775)Talents in University(NCET-08-0775)化工學(xué)報第62卷在氣動力作用下繼續(xù)發(fā)生變形和破碎的過程稱為二次破裂。初次破裂控制著液滴的延伸范圍,并為二次破裂提供初始條件,因此對于液體霧化有十分重要的意義。對于液體初次破裂特性的研究主要是利用高速攝像儀等實(shí)驗(yàn)手段并結(jié)合理論分析。Marmottant等10研究了液體射流近端的表面波長對初次破裂的影響。 Villermaux等{研究了射流表面拉絲破裂對于初次破裂滴徑的影響。但當(dāng)前對于水煤漿氣流霧化的研究大多集中在二次破裂后液滴滴徑的大小與分布特征。 Shirley等山2研究了操作參數(shù)對水煤漿霧化滴徑的影響,并總結(jié)了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)圖2實(shí)驗(yàn)流程公式。Yu等山對大型撞擊式水煤漿噴嘴不同氣液Fig 2 Flow chart of experimental process流量下的霧化滴徑分布進(jìn)行了研究?？偟膩碚f,針I(yè)-blower: 2-nitrogen gas steel bottle 3-pressure reducingvalve 4-flow meter: 5-pressure gauge: 6-CwS tank,對水煤漿初次破裂的研究還很少。本文以水煤漿為experimental atomizer 8-CwS collecting tank工作介質(zhì),采用高速攝像儀對同向氣流作用下液體9-high-speed camera: 10-computes射流近端的初次破裂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察和分析,通過研究液體射流核心長度、振蕩頻率等特征,為同軸漿體的溫度升高,影響漿體的物理性質(zhì),因此在本射流水煤漿氣流霧化噴嘴的設(shè)計開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提文實(shí)驗(yàn)中采用壓力輸送的方式。調(diào)節(jié)鋼瓶氣體壓力供相應(yīng)的依據(jù)。小于5%。環(huán)隙氣流由鼓風(fēng)機(jī)供給,通過氣體流量1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計計量。水煤漿的初次破裂過程通過高速攝像儀記1.1實(shí)驗(yàn)流程與工況錄,傳輸至計算機(jī)以供分析。本實(shí)驗(yàn)采用同軸式噴嘴,由氣體通道和液體通1.2實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的確定道組成,如圖1所示,具體尺寸和實(shí)驗(yàn)工況見表實(shí)驗(yàn)采用 Photron公司生產(chǎn)的 Fastcam APX1,實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示,由于常用的離心泵、螺S型高速攝像儀進(jìn)行拍攝,拍攝速度為3000幀桿泵等與輸送漿體間因摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱從而使秒,曝光時間為1/20000。使用 Mastersizer2000馬爾文激光測粒儀測量所用煤粉的表面積平均粒徑Dx為24.6m,中值粒徑dsy=92.90gm。所制水煤漿固含率為580%,密度p=1211kg·m3。通過美國Cahn公司的DCA315表面張力儀測得表面張力a為0.108N·m-1。使用NXS4C型水煤漿黏度計對13℃時的水煤漿的流變性進(jìn)行測定,結(jié)果如圖3所示。該水煤漿屬于賓漢流體,對剪切應(yīng)力和剪切速率擬合得到式(1)圖1實(shí)驗(yàn)噴嘴結(jié)構(gòu)r=t;+丌=1.3795r+15.285(1)Fig 1 Experimental atomizer configuration其表觀黏度的表達(dá)式為衰1實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experimental conditionsAtomizer No.Experimental mediumD1×103/mD2×103/mD3×103/mu/mcoal-water slurry, air5.100.40,0.7412-113coal-water slurry, air0.21,0.4121-160程維等:水煤漿氣流霧化的初次破裂特性shear rate/s-I圖3水煤漿流變曲線Fig 3 Rheological behavior of CWS=r,/r+n=15.285/r+1.3795(a)a=21(b)a=30(c)a=40(d)s=113式中p為液體表觀黏度,Pa·s;r為剪切速率,s2;r為剪切應(yīng)力,Pa;r,為屈服應(yīng)力,Pa;圖4水煤漿的破裂模式為剛度系數(shù),Pa·s。由于實(shí)驗(yàn)用水煤漿為賓漢流Fig 4 Breakup mode of coal-water slurry體,因此引入賓漢 Reynolds數(shù)141(atomizer 1, u=0.40 ms)Re= edout4(c)、(d)所示。對于噴嘴2,當(dāng)氣速在50~160式中D。為液體射流直徑,m;p為液體密度,m·s-時,也處于非軸對稱雷利破裂模式kg·m-3;為噴嘴出口液速,m·s-為了與牛頓流體的破裂模式做比較,本文還對Weber數(shù)定義為水的破裂模式進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖5所示。當(dāng)氣Do(速從12m·s‘增加至51時,水的破裂模式依次經(jīng)過了軸對稱雷利破裂模式[圖5(a)]、非式中口為漿體表面張力,N·m;A為氣體曹軸對稱雷利破裂模式[圖5(b)、膜狀破裂模式度,kg·m-3;u為噴嘴出口氣速,m·s-1[圖5(c)]、拉絲破裂模式[圖5(d)]直至爆發(fā)式2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論破裂模式[圖5(e)]。其中只有氣速在15~17ms范圍內(nèi)時才發(fā)生非軸對稱雷利破裂?？梢妼τ?.1水煤漿氣流霧化的初次破裂模式水而言,非軸對稱雷利破裂模式發(fā)生在低氣速階根據(jù) Farago等對流體破裂劃分的定義,流段,并且出現(xiàn)的范圍很小;而對于水煤漿,非軸對體的初次破裂主要包括4種破裂模式:雷利破裂模稱雷利破裂模式在所給條件下是占主導(dǎo)地位的破裂式、拉絲破裂模式、膜狀破裂模式和爆發(fā)式破裂模模式,本文對水煤漿的這種破裂模式進(jìn)行了較為詳式。其中雷利破裂模式又分為軸對稱破裂模式和非細(xì)的研究。軸對稱破裂模式。水煤漿屬于非牛頓流體,且屈服2.2水煤漿的射流核心長度應(yīng)力高、黏度較大,因此與水等牛頓流體的破裂有對于牛頓流體的射流核心長度, Woodward很大不同。等10已經(jīng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。在本文實(shí)驗(yàn)中,對于噴嘴1,圖4(a)顯示,當(dāng)氣速在21m·將從噴嘴出口至液柱主體首次發(fā)生斷裂時的長度定s-時,水煤漿處于穩(wěn)定狀態(tài)。而氣速在30m·義為射流的核心長度(L)),如圖6所示,并使s1時,漿體受到氣體的擾動作用,產(chǎn)生振蕩,但用液體射流直徑(D)將其量綱1化。對于噴嘴在視場內(nèi)并未發(fā)生斷裂,如圖4(b)所示。當(dāng)氣速近端的射流破裂,研究所選取的范圍是Lc/D2<為40m·s時,水煤漿液柱主體受到氣體的加速15,與其相對應(yīng)的氣速范圍分別是51~113m作用形成非軸對稱波,并在氣動力的持續(xù)作用下發(fā)s-(噴嘴1),63~16m·s-1(噴嘴2)生破裂,液柱主體成鉤狀,這一模式在氣速增加到圖7給出了兩種形式噴嘴下,水煤漿的量綱113m:s'仍未發(fā)生變化,根據(jù) Farago等的定義,射流核心長度隨氣速和液速的變化情況。結(jié)果顯該模式屬于非軸對稱雷利破裂模式。在此模式下,示,水煤漿的射流核心長度隨著氣速的增加而減霧化過程中漿滴的產(chǎn)生均與液柱的振蕩有關(guān),如圖小,而在氣速相同的條件下,液速越大,其射流核28第62卷(a)a=12m·s1(b)a=15m·s-1(c)-21m·s-1(d)w-40m·s-1(e)wg-51m·s-1圖5水的破裂模式Fig 5 Breakup mode of water (atomizer 1, u:=0. 40 m.s)nCWS,/=0.74m·s圖8不同氣速下水和水煤漿的量綱1射流核心長度Lc/D圖6射流核心長度Fig 8 Variation of Lc/D with gas jet velocity (atomizer 1)Fig 6 Sketch of liquid jet core length(atomizer 2,u,160 ms,u=0. 21 ms)同時為定量研究液速、氣速對水煤漿射流核心長度的影響,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合,得到式(5)atomizer 1. 4=0.40m. s-I120.23atomizer I,l=0.74m·atomizer 2, u=0.21 m.S▲ atomizer2.u=041m·s相關(guān)系數(shù)為0.99,Lc/D計算值與測量值的比較如圖9所示。6080100120140160180圖7不同氣速下水煤漿的量綱1射流核心長度Lc/DFig. 7 Variation of Lc/Do with gas jet velocity心長度越長。圖8對比了水煤漿和水的量綱1射流核心長度,從中可以發(fā)現(xiàn),水煤漿和水的射流核心easured Lc/D.長度隨氣速和液速具有相同的變化趨勢。但在相同圖9Lc/D計算值與測量值的比較條件下水煤漿的射流核心長度要遠(yuǎn)大于水的,當(dāng)水Fig 9 Comparison between measured and煤漿的Lc/D。為12.34時,此時水的Lc/D為lculated Lc/Do第1期程維等:水煤漿氣流霧化的初次破裂特性(a)to(b) tn +2ms (c)f-4ms (d)to-6ms (e) t:+8ms (f)4,+10ms圖10水煤漿射流振蕩過程Fig 10 Image of jet oscillating period (atomizer 1,u,=82 m.s, u=0. 40 m.s-)對于水的同軸射流破裂,進(jìn)行同樣的處理,得到式(6)eroglu等和曹顯奎等研究了水的同軸射流核心長度,所得的經(jīng)驗(yàn)公式中量綱1射流核心長度與氣速和液速的關(guān)系分別為n,b∝a約為0.4~0.8,B約為02~0.6,與本文水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。對比式(5)和式(6),可見對于水煤050100150200250300350400450500550漿這類高黏非牛頓流體,氣速對量綱1射流核心長度變化的影響更大圖11灰度差分值的平方隨像素點(diǎn)的變化2.3液體射流的振蕩頻率Fig. 11 Variation of square of gray difference with pixel由于水煤漿霧化處于非軸對稱雷利破裂模式,液柱在振蕩過程中端部形成了大顆粒漿滴,同時連接漿滴與液柱主體之間的絲狀系帶在氣流的作用下也會發(fā)生二次霧化形成小顆粒漿滴。這意味著水煤漿液柱的振蕩頻率也代表著水煤漿霧化過程中漿滴的產(chǎn)生頻率。因此詳細(xì)了解水煤漿射流的振蕩頻率對于研究水煤漿的霧化有著極其重要的作用。水煤漿液柱的振蕩過程如圖10所示?？疾鞚{體液柱發(fā)生明顯振蕩的部位在圖片橫向10上的位置變化,將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,即可得到漿體的振蕩頻率。如對于圖10所給工況,提取圖12水煤漿射流的振蕩頻率Fig. 12 Frequency of jet oscillating圖片中振蕩部位A的橫向上所有像素點(diǎn)的灰度值( atomizer 1,=82m·s-1,a=0.40m·s1)(G),其灰度值差分的平方隨像素點(diǎn)的變化如圖11所示,定義其中灰度隨像素點(diǎn)變化最快的地方為液增加而增加,但針對該噴嘴,水的非軸對稱雷利破柱的邊界。因此可以根據(jù)邊緣檢測法得知不同時刻裂模式對應(yīng)的氣速在15-17m,s,相對應(yīng)的振下該部位液柱的位置變化,將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分蕩頻率在60-120Hz之間。而在同工況下,水媒析,得到其頻譜圖如圖12所示。漿液柱則未產(chǎn)生振蕩,這是由于水煤漿屬于高黏非圖13是兩種不同尺寸噴嘴下頻率f與氣速和牛頓流體,屈服應(yīng)力較大,因此更能抵抗氣動力的液速的關(guān)系,結(jié)果顯示,水煤漿振蕩頻率隨著氣速擾動作用的增加而增加。氣速相同時,漿體的流速越大,振使用與頻率相關(guān)的 Strouhal數(shù)(Sr)對水煤蕩頻率也越大。圖13(a)中也給出了水在非軸對振蕩頻率進(jìn)行分析,其表達(dá)式如下稱雷利破裂模式下的振蕩頻率,其隨氣速和液速的·30化工學(xué)報第62卷由于液速很小,u≈u,對于頻率進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),頻率∫與氣速、液速和射流直徑均有關(guān),foD。0,可見漿體的射流直徑越大,其振o water, u/=0.74m蕩頻率越小。同時可以發(fā)現(xiàn),∫∞k2,∫∝3,60可見提高氣速與液速均能增大漿體的振蕩頻率,但氣速的影響更大。氣速越大,液體振蕩頻率越高,意味著漿體的斷裂頻率越高,在煤漿流量一80定的情況下,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的漿滴越多,漿滴體(a)atomizer 1, Do=5. 1X10-3m積就越小,使霧化效果顯著提升。對比圖15(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)隨著氣速的增大,漿體斷裂時產(chǎn)生的漿滴長度和直徑逐漸變小,漿滴數(shù)量明顯增◆CWS,聊=0.21m加,其中白線標(biāo)識了兩個氣速下漿體斷裂時波峰DCwS,4=041m·s處產(chǎn)生的大顆粒絲狀漿滴,其平均直徑分別為1.13mm和1.00mm,長度分別為19.06mm和11.2lmm。圖13不同氣速下水和水煤漿的振蕩頻率Fig 13 Variation of oscillating frequency(a)=82m·s-1(b)a=103m·swith gas jet velocity圖15不同氣速下的水煤漿破裂結(jié)合實(shí)驗(yàn)情況,特征長度為L=D,u為作用Fig. 15 Variation of breakup process with gas jet velocity于液柱上的氣體速度,u=u,a,為氣液相對速(atomizer 1, u=0. 40 m.s度?！覟樗簼{振蕩頻率,同時結(jié)合氣、液表征3結(jié)論參數(shù)We和液體Re,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到其關(guān)系式為實(shí)驗(yàn)采用高速攝像儀,對水煤漿同軸射流的初Sr a 0. 0014We IRe 36(8)次破裂特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論。其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91,Sr計算值與測量值的比較(1)氣速范圍在40~160m·s-1,液速為如圖14所示。0.21~0.74m·s-1時水煤漿的破裂模式為非軸對0010稱雷利破裂模式。同樣工況下,當(dāng)水在氣速超過5Im·s-時已呈現(xiàn)爆發(fā)式破裂模式,其僅在氣速范圍為15~17m·s1時才為非軸對稱雷利破裂模式0006(2)水煤漿的量綱1射流核心長度隨氣速增大而減小,隨液速增大而增大。同工況下水煤漿的射流核心長度比水的射流核心長度更長。(3)漿體的振蕩頻率隨著氣速和液速的增大而000200080.010增大。在液體流量一定的條件下,氣速越高,則漿圖14Sr計算值與測量值的比較體振蕩頻率越大,單位時間內(nèi)產(chǎn)生的漿滴數(shù)目越Fig 14 Comparison between measured and多,漿滴的斷裂直徑和長度明顯減小,使霧化效果calculated Sr顯著提高。第1期程維等:水煤漿氣流霧化的初次破裂特性·31peed gas stream: a phenomenological study [j]. exps.符號說明Fluids.,1994,16:401-410[9] Lasheras J C, villermaux E, Hopfinger E J Break-up 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