液流冲击圆盘铺展及破碎特性的研究_刘中元.pdf
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1、收稿日期:2022 01 14基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0603603);辽宁省“兴辽英才计划”项目(XLYC1802003)作者简介:刘中元(1997 ),男,湖北十堰人,东北大学博士研究生;于庆波(1966 ),男,山东莱阳人,东北大学教授,博士生导师第44卷第3期2023 年 3 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vo l 44,No 3Mar2 0 2 3doi:1012068/j issn1005 3026 2023 03 009液流冲击圆盘铺展及破碎特
2、性的研究刘中元,于庆波,刘军祥(东北大学 冶金学院,辽宁 沈阳110819)摘要:针对难以确定制取铁合金一定粒径下的工艺参数,基于飞溅板雾化原理,引入圆盘边缘处液膜厚度和流速为中间变量,将全过程分为圆盘内铺展和圆盘外破碎两个连续阶段,在圆盘内液膜铺展阶段建立气 液两相流数学模型,在圆盘外液膜破碎阶段建立液膜表面扰动波数学模型,研究了液流流速、液流直径和圆盘直径对液膜铺展及破碎特性的影响规律 结果表明,当介质为 Sn 58Bi,液流流速为 3 m/s,圆盘直径为200 mm,改变液流直径为 50 100 mm 时,形成液滴直径为 7.5 10 mm;液流直径增加或圆盘直径减小时,破碎形成的液滴直
3、径增大;液流流速增加时,液膜破碎时刻提前,对液滴直径的影响较小关键词:飞溅板雾化;粒化;液膜破碎;多相流;铁合金中图分类号:TF 09文献标志码:A文章编号:1005 3026(2023)03 0370 06esearch on Spreading and Breaking Characteristics of LiquidFlow Impact Flat DiscLIU Zhong-yuan,YU Qing-bo,LIU Jun-xiang(School of Metallurgy,Northeastern University,Shenyang 110819,China Correspon
4、ding author:YU Qing-bo,E-mail:yuqb smm neu edu cn)Abstract:Because of the difficulty in determining the process parameters under a specific particlesize,based on the principle of splash plate atomization,the liquid film thickness and flow velocityat the edge of the disk are used as intermediate vari
5、ables,and the entire process is divided into twocorrelations:spreading inside the disk and breaking outside the disk The gas-liquid two-phaseflow mathematical model was established for the liquid film spreading process inside the disc,andthe liquid film surface disturbance wave mathematical model wa
6、s established for the liquid filmbreaking process outside the disc The effects of flow velocity,flow diameter,and disc diameteron the spreading and breaking characteristics of the liquid film were studied The results show thatwhen the medium is Sn-58Bi,the liquid flow rate is 3 m/s,the diameter of t
7、he disc is 200 mm,and the liquid flow diameter is changed to 50 100 mm,the diameter of the formed droplet is7.5 10 mm;when the liquid flow diameter increases or the disc diameter decreases,the dropletdiameter increases;when the liquid flow velocity increases,the breaking time decreases,and theeffect
8、 on the droplet diameter is smallKey words:splash plate atomization;granulation;liquid film breakup;multiphase flow;ferroalloy飞溅板雾化是指通过液流冲击飞溅板,在飞溅板内铺展形成液膜,液膜脱离壁面后由于与空气的相互作用破碎形成液滴的雾化方式1 这种雾化方式能量损失较小,可以较好地控制液膜运动轨迹、速度和液滴直径2,广泛应用于内燃机的雾化器和锅炉喷嘴中3 对液膜铺展特性的研究中,Inamura 等2,4 使用层流边界层模型分析了飞溅板上液膜厚度,与实验数据进行对比,验证了
9、理论的正确性 对液膜破碎特性的研究中,Dombrowski 等5 研究了扇型喷嘴产生的自由液膜在不同环境密度下的失稳性,实验结果表明,液滴直径随着环境密度的增大而减小 Dombrowski 等6 建立了自由液膜表面扰动波的数学模型,较好地预测了液膜破碎形成液滴的尺寸及破碎位置 Ahmed 等7 研究了液体黏度对液流冲击飞溅板雾化特性的影响,指出自由液膜雾化过程受 ayleigh Plateau(P)和ayleigh Taylor(T)非稳定性控制 在液膜铺展及破碎特性的研究中,Thunivumani 等8 建立了液膜运动模型,研究了液流的韦伯数和冲击角度对液滴直径的影响,较好地预测了液膜的破碎
10、位置在炼钢过程中,加入粒径适中的铁合金颗粒,保证颗粒有一定量穿过熔渣层,降低铁合金在钢液中的熔化时间,提高合金元素在钢液中分布的均匀性 粒径要求与铁合金的种类、炼钢工艺及工况有关,中国武汉某钢铁公司转炉炼钢过程要求的粒径为3 15 mm9 现国内制粒通常采取先浇铸成块,再人工或机械破碎的方法,效率低、合金成分偏析大、粒径不均匀、污染较大 新型的铁合金直接粒化工艺能耗低、污染较小、粒径均匀,具有较好的应用前景10 11 该工艺中通过熔融金属液流冲击圆盘生成金属液滴的粒化过程,是典型的飞溅板雾化 目前对飞溅板雾化的研究多以雾化器或喷嘴为背景,重点多集中于自由液膜破碎过程,缺少对液流冲击圆盘后铺展、
11、破碎连续过程的研究,研究的尺度较小,所建立的模型难以对上述粒化过程进行计算 若运用 CFD 技术对工业尺度下整个冲击破碎的非稳态过程进行模拟,计算资源耗费大、计算时间长且难以保证精度 本文引入圆盘边缘处液膜流速和液膜厚度作为中间变量,将整个过程分为液膜在圆盘内的铺展和在圆盘外的破碎两个连续过程 基于耦合的水平集 流体 体 积 法(coupled level set and volume offluid,CLSVOF)对圆盘内过程运用 Fluent 软件进行建模并数值模拟,得到液流流速、液流直径、圆盘直径对圆盘边缘处液膜流速、液膜厚度的影响;基于扰动波理论对圆盘外过程运用 Python 语言编程
12、,进行建模并数值计算,得到圆盘边缘处液膜流速、液膜厚度对液膜破碎时刻、液滴直径的影响 本研究为设计生产不同种类、不同粒径的铁合金粒化装置提供理论指导1模型构建图 1 为液流冲击圆盘铺展及破碎过程示意图 其中:d0为液流直径,m;v0为液流流速,m/s;H 为液流入口距离圆盘的高度,m;d1为圆盘直径,m;h 为圆盘边缘处液膜厚度,m;v1为圆盘边缘处液膜流速,m/s;dd为液滴直径,m 从图中可以看出,液流垂直冲击圆盘中心,在圆盘内铺展形成液膜,速度方向由垂直于壁面方向变为沿壁面方向,液膜继续运动脱离壁面后,由于与空气相互作用,在液膜边缘处发生破碎形成液丝,最后液丝断裂形成液滴图 1液流冲击圆
13、盘铺展及破碎过程示意图Fig.1Schematic diagram of the spreading andbreaking process of the liquid impact disk1.1圆盘内液膜的铺展过程1.1.1数学模型图 1 虚线框内为圆盘内液膜铺展过程的物理模型 该过程是典型的气 液两相流问题,难点在于对气 液界面的捕捉 CLSVOF 法将 VOF(volume of fluid)法与 Level Set 法耦合,在保证质量守恒下,提高相界面捕捉的精度12 该方法使用混合相对连续方程和动量方程求解,减小了运算成本 通过引入体积分数 q来对相界面进行捕捉,假设流体相不相互渗透
14、,则在大多数计算单元中,q为 1 或 0,在相界面位置,0 q1 通过求解各相的体积分数方程来跟踪相界面,具体控制方程如下:连续方程为t+(u)=0(1)动量方程为(u)t+(uu)=p+(u+uT)+g+S(2)体积分数方程:t(qq)+(qquq)=0(3)混合相物性计算方为=qq,(4)=qq,(5)u=1qquq(6)其中:为混合相密度,kg/m3;q为第 q 相的黏度,Pa s;为混合相黏度,Pa s;u 为混合相速度,173第 3 期刘中元等:液流冲击圆盘铺展及破碎特性的研究m/s;S 为动量源项,N/m3为精确捕捉出现剧烈形变的相界面,构造距离函数:(x,t)=d(x,(t),x
15、1;0,x;d(x,(t),x2(7)其中:(t)为相界面;(x,t)表示 x 点到(t)的最短距离;1为相 1 所在区域,2为相 2 所在区域(x,t)满足守恒方程:t+u =0(8)1.1.2计算方法及边界条件图 2 为模拟计算域和网格划分示意图 设置液流入口为速度入口,圆盘表面为无滑移壁面,其余边界条件均为压强出口,压强为标准大气压 初始单个网格尺寸为液流直径的 1/40,壁面附近进行边界层加密,计算收敛后,使用网格自适应技术,通过衡量液相体积分数梯度捕捉气液交界界面,再次对相界面位置进行网格加密,重新进行计算 引入 Heaviside 函数使相界面附近的计算单元密度和黏度光滑过度,使用
16、 Geo econstruct 的图 2模拟计算域和网格划分示意图Fig.2Schematic diagram of simulation calculationdomain and meshing(a)模拟计算域;(b)网格划分插值方式对气液表面进行构建,表面张力采用连续表面张力模型 使用 CLSVOF 法,采用隐式格式,基于压力 速度耦合的方式进行求解,求解方式选用 coupled 算法,使用伪瞬态计算稳态过程为保证计算精度,流动求解选择较高精度的二阶迎风格式;Level Set 方程求解采用一阶迎风格式;压力求解选择 PESTO 格式 介质选用 Sn 58Bi,液 态 温 度 为 473
17、K,液 态 密 度 为8 443 kg/m3,黏度为 0.001 8 Pas,表面张力为0.43 N/m1.2圆盘外液膜的破碎过程图 1 虚线框外所示为圆盘外液膜的破碎过程 图 3 为膜状破碎过程 从图中可以看出,液膜运动到圆盘外形成自由液膜后,液膜表面扰动波逐渐生长,当扰动波振幅达到临界值时液膜断裂成带状液丝,带状液丝断裂形成液滴6 图 3膜状破碎过程Fig.3Process of disintegration of film formation在空气扰动下,液膜表面的正弦波动可以表示为13 m=Ameikmr=A0e(t+ikmr)(9)其中:m为相对平衡位置的位移,m;Am为液膜表面扰动
18、波振幅,m;A0为液膜表面扰动波初始振幅,m;km为扰动波的波数,取决于扰动波的传播速度和干扰频率,m1;为扰动波振幅的增长率,s1;r 为距离初始位置的径向距离,m;t 为液膜从初始位置到 r 位置运动的时间,s扰动波振幅的增长率为5 =lhk2+2lh2k4+4lh(2gkv22k2)2lh(10)其中:v 为扰动波的传播速度,近似等于液膜流动的速度,m/s;k 为扰动波的波数,m1;1为液体密度,kg/m3;g为气体密度,kg/m3;1为液体黏度,Pa s;为表面张力系数,N/m液膜脱离壁面 t 时刻表面扰动波振幅 Am与初始时刻表面扰动波振幅 A0存在如式(11)的关系:273东北大学
19、学报(自然科学版)第 44 卷Am=A0e dt(11)当液膜破碎成带状液丝时,分裂位置处的扰动波振幅与初始位置处的扰动波振幅的比值成常数14:AmA0=e12(12)由式(11)、式(12)得t00dt=12(13)其中,t0为破碎时间,s带状液丝的一个完整的波断裂成液滴,液丝破碎成液滴的直径为15 dd=33 22d3l(1+3Oh)(14)其中:dl为带状液丝的直径,m;Oh 为奥内佐格数Oh=lldl(15)Liu 等15 验证了运用该模型针对自由液膜的膜状破碎过程计算的准确性2结果分析2.1液流流速对圆盘内液膜铺展特性的影响在考察液流流速对圆盘内液膜铺展特性的影响时,液流直径为 80
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