王　珍（中國(guó)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(guó)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(duì)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(guò)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(lái)流溫度越高和速度越大，液滴與來(lái)流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程越強(qiáng)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越短，其中來(lái)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(lái)流溫度則通過(guò)平衡階段傳熱溫差來(lái)影響液滴蒸發(fā)，且通過(guò)增大液滴與來(lái)流間速度差，即可強(qiáng)化液滴的非平衡蒸發(fā)過(guò)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(guò)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(duì)蒸發(fā)過(guò)程的影響，對(duì)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(guò)程。

孫慧娟等[1]對(duì)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?duì)液滴的穩(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(duì)單液滴蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明氣流速度對(duì)液滴的蒸發(fā)影響有限，不宜單純采取提高氣流速度來(lái)大幅加快液滴的蒸發(fā)。盧江等[3]針對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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。

1　計(jì)算模型

本文基于離散相模型進(jìn)行液滴蒸發(fā)過(guò)程的仿真分析，以直徑為20mm，長(zhǎng)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(duì)液滴運(yùn)動(dòng)無(wú)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(duì)不同來(lái)流溫度（=443K，463K，483K，503K）、不同來(lái)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(guò)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　結(jié)果分析

2.1來(lái)流流速V∞的影響（見圖1）

圖1　不同來(lái)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(lái)流溫度=443K時(shí)，不同來(lái)流速度V∞對(duì)應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時(shí)間。對(duì)于相同的來(lái)流溫度和液滴初始條件，隨著來(lái)流速度的提高，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間不斷降低。因?yàn)閬?lái)流溫度確定時(shí)，液滴的平衡蒸發(fā)溫度也確定了，而來(lái)流速度的影響并不大，因此來(lái)流速度對(duì)液滴蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在液滴剛進(jìn)入來(lái)流氣體初期的非平衡蒸發(fā)階段，即對(duì)于相同的液滴初速度，當(dāng)來(lái)流速度越大時(shí)，液滴與來(lái)流氣體之間的對(duì)流越強(qiáng)烈，伴隨著傳質(zhì)和傳熱過(guò)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小（=50μm），在進(jìn)入來(lái)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(lái)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(lái)流速度對(duì)液滴的整個(gè)蒸發(fā)周期的影響是有限。

2.2來(lái)流溫度T∞的影響

以來(lái)流速度V∞=10m/s，液滴初始速度Vp，0=10m/s為例，當(dāng)來(lái)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。可見隨著來(lái)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(lái)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(lái)流速度V∞為30m/s，來(lái)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(duì)應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時(shí)間。對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)著當(dāng)?shù)氐膩?lái)流速度，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(duì)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?lái)流速度時(shí)，液滴蒸發(fā)時(shí)間都將減小，因?yàn)楫?dāng)液滴速度與來(lái)流速度不一致時(shí)，由于液滴四周邊界層中的對(duì)流作用，較相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，液滴的傳質(zhì)過(guò)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(guò)增大液滴與來(lái)流的速度差，可強(qiáng)化液滴的非平衡蒸發(fā)過(guò)程，而不需要一味的增大液滴的初始速度。

3　結(jié)論

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(guò)程的仿真模型，分析了來(lái)流速度等因素對(duì)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(lái)流溫度越高和速度越大，液滴與來(lái)流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程越強(qiáng)，液滴完全蒸發(fā)時(shí)間越短，其中來(lái)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(lái)流溫度則通過(guò)平衡階段傳熱溫差來(lái)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(lè)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(guò)程理論分析及非穩(wěn)態(tài)過(guò)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。