水平管降膜蒸發(fā)器離心布液噴嘴噴淋過程機理研究項目摘要

低溫多效蒸發(fā)目前已成為我國海水淡化技術(shù)的主流發(fā)展方向之一，水平管降膜蒸發(fā)器作為低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置的核心設(shè)備，其水平管布液效果直接影響設(shè)備整體的使用性能和整套裝置的運行效率。本項目主要針對水平管降膜蒸發(fā)器廣泛采用的離心布液噴嘴的噴淋過程進行研究，重點研究離心布液噴嘴結(jié)構(gòu)流道中氣液兩相流動動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)流道對連續(xù)相流體離散破碎及噴淋的作用機制。通過PIV測試可視化離心布液噴嘴結(jié)構(gòu)流道內(nèi)部介質(zhì)流動過程和氣液兩相流場及外部噴淋過程，獲得結(jié)構(gòu)流道幾何結(jié)構(gòu)及流動參數(shù)對流場特性及噴淋特性的影響規(guī)律，在實驗研究的基礎(chǔ)上，開展三維數(shù)值模擬和理論分析，研究結(jié)構(gòu)流道對流體流動、離散破碎及噴淋的作用機制，建立結(jié)構(gòu)流道幾何結(jié)構(gòu)、流動參數(shù)、流場特性和噴淋特性之間的理論關(guān)系，并最終實現(xiàn)對離心布液噴嘴噴淋過程機理的理論認識，為優(yōu)化設(shè)計離心布液噴嘴和改善布液噴淋質(zhì)量提供基礎(chǔ)的理論支持

本項目主要針對水平管降膜蒸發(fā)器廣泛采用的離心布液噴嘴噴淋過程機理進行研究，重點研究離心布液噴嘴結(jié)構(gòu)流道中氣液兩相流動動力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)流道對連續(xù)相流體離散破碎及噴淋特性的作用機制，主要開展了如下工作： 首先，對離心噴嘴內(nèi)部流動進行了可視化實驗。根據(jù)流體在旋流室填充程度和空氣流場區(qū)域規(guī)則程度的不同，對流體填充噴嘴過程的流動狀態(tài)進行了四種流態(tài)劃分，并分析了形成機理；對液膜破碎過程進行了觀測，根據(jù)液膜形態(tài)的不同，把低入口壓力下噴嘴液膜破碎過程分為傘狀液膜、破碎孔、液膜撕裂三個階段，明確了三個階段的轉(zhuǎn)換過程。 其次，進行了不同結(jié)構(gòu)離心噴嘴性能以及噴淋錐角和噴淋密度等噴淋特性的實驗研究。噴嘴入口流量和噴淋錐角均隨著入口壓力增大而增加，其中入口流量呈現(xiàn)非線性增加，而噴淋錐角先增大后不變，即當(dāng)噴嘴入口壓力大于某一臨界值后達到穩(wěn)定狀態(tài)，其角度不再發(fā)生變化，與噴嘴出口擴張角一致。在不同的入口壓力下，噴嘴噴淋區(qū)域均具有較好的對稱性，噴淋區(qū)域直徑則先增大后不變，與噴淋錐角的變化規(guī)律一致。另外，明確了不同壓力和噴淋高度下，噴嘴噴淋區(qū)域的變化趨勢。 然后，進行了離心噴嘴的內(nèi)部填充和穩(wěn)定流動過程的數(shù)值模擬，明確了內(nèi)部填充過程的流動形態(tài)，并對不同結(jié)構(gòu)的噴嘴穩(wěn)定流動的流場特性進行了分析對比，由于噴嘴的單側(cè)入口使得頂部無特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴內(nèi)部流場及氣液分布呈現(xiàn)嚴重的不對稱性，可以通過在頂部加入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)來緩解，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)對整個噴嘴內(nèi)部流場的動能和液相流場沒有顯著的影響，但會加強內(nèi)部流場的擾動，氣相湍流情況加劇，空氣芯扭曲現(xiàn)象加劇，從而改善噴嘴流場和空氣芯位置的不對稱性，扭曲程度越大的噴嘴，更利于氣液兩相的摻混，流出液相的對稱性越好，噴嘴工作的穩(wěn)定性和可靠度越強。 最后，分析了頂部圓臺結(jié)構(gòu)離心噴嘴旋流室高度、入口直徑、圓臺直徑、圓臺高度、出口擴散角、出口直徑、出口直管段長度等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對于噴淋特性和噴淋密度的影響規(guī)律。 2100433B

研究表明，噴嘴霧化過程主要受4種力的控制，即氣動阻力、黏性力、液體的表面張力和慣性力。這4種力之間的相互作用，使連續(xù)的液注發(fā)生分裂、破碎。一般認為噴嘴霧化過程分為射流霧化過程與液膜霧化過程。

Rayleigh于1876年對射流破碎機理進行了分析。他采用小擾動方法分析了低速射流破碎所需要的條件，認為只有當(dāng)對稱的擾動波波長達到與射流直徑可比時才能使得射流破碎。Tyler通過測量射流破碎的頻率，研究了射流破碎與擾動波波長之間的關(guān)系，驗證了Rayleigh的理論分析。

Weber發(fā)展了更具一般意義的低速黏性射流破碎理論，提出射流破碎存在最佳擾動波波長，并給出了其表達式。通過分析液體霧化過程中各種力的相互作用，他認為氣動力對液體的摩擦作用與液體自身的高速流動慣性是導(dǎo)致液滴破碎的重要原因。當(dāng)氣動阻力的作用大于表面張力時，液體就會發(fā)生霧化現(xiàn)象，液體表面發(fā)生液滴剝離。據(jù)此他提出了一個無量綱常數(shù)——Weber數(shù)，并給出了霧化現(xiàn)象發(fā)生的臨界Weber數(shù)、臨界液體速度等重要指標(biāo)參數(shù)。

Haenlein則通過試驗驗證了Weber的結(jié)論，并將液體射流霧化區(qū)分為4類過程：無空氣影響時的液滴形成、有空氣影響時的液滴形成、射流波動引起的液滴生成和射流的完全破碎即霧化。Ohnesorge 根據(jù)射流 受 力 的 重 要程度將數(shù)據(jù)進行整 理，引入無量綱數(shù)Ohnesorge 數(shù)將射流破碎過程分為 3 個階段：

(1) 低雷諾數(shù)段，此時 Rayleigh 機理控制破碎過程：

(2) 中雷諾數(shù)段，射流破碎由射流擾動控制；

(3) 高雷諾數(shù)段，霧化過程在噴嘴出口很短的距離內(nèi)完成。

這個分類廣為引用。最近，為了解決 Ohnesorge 分類圖中存在的不確定狀態(tài)問題，Reitz 通過分析柴油機噴霧的試驗數(shù)據(jù)，提出以下 4 種破碎狀態(tài)：Rayleigh 形破碎；一次風(fēng)生破碎；二次風(fēng)生破碎以及霧化。

Fraser 和 Eisenklam 定義了 3 種液膜破碎方式：邊緣脫落、表面波動及液膜穿孔。他們認為液膜破碎時首先轉(zhuǎn)變?yōu)橐簬В罄^續(xù)破碎為液滴。邊緣脫落所形成的液滴仍然沿著破碎前的方向運動。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均勻性，而表面波動方式形成的液滴尺寸變化很大。對于發(fā)生液膜霧化的噴嘴來說，3 種破碎方式可能同時發(fā)生。1950年代，Dombrowski 和 Fraser 通過大量試驗深入研究了液膜的破碎過程。他們發(fā)現(xiàn)，液帶主要是由于液膜穿孔造成，如果孔由空氣摩擦引起，液帶會非常快地破碎：而孔若由噴嘴中的湍流引起，則液帶破碎得很慢。他們總結(jié)認為：高表面張力和高黏性的液膜最難于破碎：液體的密度對液膜破碎幾乎不起作用。York 等人對平面液膜的破碎機理進行了理論與試驗研究，得到結(jié)論認為，連續(xù)相與離散相界面之間的不穩(wěn)定性和表面波的形成是影響液膜破碎為液滴的主要因素。

可見，上述機理分析離不開試驗的支持。因霧化過程復(fù)雜，迄今為止幾乎所有的理論研究結(jié)果都是經(jīng)驗和半經(jīng)驗的。

離心噴嘴是使燃油在油壓作用下經(jīng)過噴嘴切向孔進入旋流室，由噴口噴出進入燃燒室的噴嘴。燃料在離心力作用下在噴嘴出口形成錐形薄膜，破碎后產(chǎn)生較細的油珠。

中文名稱

離心噴嘴

英文名稱

swirl injector

定　　義

使燃油在油壓作用下經(jīng)過噴嘴切向孔進入旋流室，由噴口噴出進入燃燒室的噴嘴。燃料在離心力作用下在噴嘴出口形成錐形薄膜，破碎后產(chǎn)生較細的油珠。

應(yīng)用學(xué)科

航空科技（一級學(xué)科），推進技術(shù)與航空動力裝置（二級學(xué)科）

噴淋冷卻技術(shù)主要包括向IT設(shè)備噴灑冷卻液的布液裝置（包括特制的噴淋服務(wù)器機箱 ，特制的液冷機柜）， 冷量分配單元（CDU），室外散熱器；

噴淋服務(wù)器機箱：與普通服務(wù)器機箱相比，主要特點是取消了風(fēng)扇的進出風(fēng)口，改為進液口與回液口。服務(wù)器機箱有密封處理，防止冷卻液泄露；機箱頂板改為噴淋板，用于向發(fā)熱器件噴灑絕緣冷卻液；

液冷機柜：液冷機柜內(nèi)部設(shè)有進液管與回液管，進液管向IT設(shè)備供應(yīng)冷卻液，回液管回收被加熱后的冷卻液；

冷量分配單元：內(nèi)部主要包括泵，過濾器，換熱器，其中，泵的作用是驅(qū)動冷卻液流動，向IT設(shè)備內(nèi)不間斷輸送冷卻液；過濾器作用是濾除冷卻液內(nèi)部的微米級雜質(zhì)，防止固體雜質(zhì)在IT設(shè)備上沉積； 換熱器作用是將冷卻液的熱量與二次循環(huán)回路中的冷媒（如水，乙二醇）進行熱交換。

室外散熱器：布置于室外的散熱器將二次循環(huán)回路中的冷媒與室外空氣進行熱交換，將熱量散失到外部大氣，散熱器通常使用空調(diào)行業(yè)常用的管翅式換熱器，工業(yè)常用的板翅式換熱器，以及冷水塔。管翅式換熱器，板翅式換熱器，冷水塔能夠最大程度利用自然冷源-空氣，無需采用能效較低的壓縮制冷方式，因此較節(jié)能。