水煤浆气流雾化的初次破裂特性

第62卷第1期化工学报Vol. 62 No. 12011年1月CIESC JournalJanuary 2011研究论文水煤浆气流雾化的初次破裂特性程维,赵辉,孟沁玮,李伟锋,许建良,刘海峰(华东理工大学煤气化教育部重点实验室,上海200237)摘要:以水煤浆和空气作为实验介质,利用高速擾像仪对同轴双通道喷嘴水煤浆气流雾化的初次破裂过程进行了实验研究,重点考察了在喷嘴出口附近水煤浆的射流核心长度和振荡频率等特征。研究结果显示,实验中水煤浆的破裂模式为非轴对称雷利破裂模式,根据实验结果,得到了浆体的量纲1射流核心长度与气速和液速之间的关系式。雾化过程中浆滴的产生与水煤浆射流振荡有关,研究了其 Strouhal数与 Weber数和液体 Reynolds数之间的关系关键词:气流雾化;水煤浆;射流核心长度;振荡频率中图分类号:TQ022.4文献标志码:A文章编号: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对工程实践有明确的指导意义气流雾化效率高、能耗低,应用极为广泛,大水煤浆(CWS)具有便于输运等优点,广泛量的学者对其进行了理论研究3和实验研究应用于气化炉、锅炉燃烧等领域中口2。但水煤浆气流雾化分为初次破裂和二次破裂两个过程。初次为非牛顿流体,浓度高、黏度大,雾化较为困难。破裂是指气、液间相互作用引起液体表面不稳定波对水煤浆雾化的研究不仅具有重要的学术价值,还的增长,导致液体射流破裂的过程,其产生的液滴2010—05-28收到初稿,2010-08-14收到修改稿Received date: 2010-05-28.联系人:刘海峰。第一作者:程维(1985-),男,硕士研Corresponding author: Prof. LIU Haifeng, hfliuGecust. edu. cn究生Foundation item: supported by the National Natural Science基金项目:国家自然科学基金项目(50776033);国家重点基 Foundation of China(50776033), the National Basic Research础研究发展计划项目(2010CB227004);教育部新世纪优秀人才支 Program of China(2010B227004) and the New Century Excellent持计划项目(NCET08-0775)Talents in University(NCET-08-0775)化工学报第62卷在气动力作用下继续发生变形和破碎的过程称为二次破裂。初次破裂控制着液滴的延伸范围,并为二次破裂提供初始条件,因此对于液体雾化有十分重要的意义。对于液体初次破裂特性的研究主要是利用高速摄像仪等实验手段并结合理论分析。Marmottant等10研究了液体射流近端的表面波长对初次破裂的影响。 Villermaux等{研究了射流表面拉丝破裂对于初次破裂滴径的影响。但当前对于水煤浆气流雾化的研究大多集中在二次破裂后液滴滴径的大小与分布特征。 Shirley等山2研究了操作参数对水煤浆雾化滴径的影响,并总结了相应的经验图2实验流程公式。Yu等山对大型撞击式水煤浆喷嘴不同气液Fig 2 Flow chart of experimental process流量下的雾化滴径分布进行了研究。总的来说,针I-blower: 2-nitrogen gas steel bottle 3-pressure reducingvalve 4-flow meter: 5-pressure gauge: 6-CwS tank,对水煤浆初次破裂的研究还很少。本文以水煤浆为experimental atomizer 8-CwS collecting tank工作介质,采用高速摄像仪对同向气流作用下液体9-high-speed camera: 10-computes射流近端的初次破裂进行了实验观察和分析,通过研究液体射流核心长度、振荡频率等特征,为同轴浆体的温度升高,影响浆体的物理性质,因此在本射流水煤浆气流雾化喷嘴的设计开发和结构优化提文实验中采用压力输送的方式。调节钢瓶气体压力供相应的依据。小于5%。环隙气流由鼓风机供给,通过气体流量1实验系统计计量。水煤浆的初次破裂过程通过高速摄像仪记1.1实验流程与工况录,传输至计算机以供分析。本实验采用同轴式喷嘴,由气体通道和液体通1.2实验相关参数的确定道组成,如图1所示,具体尺寸和实验工况见表实验采用 Photron公司生产的 Fastcam APX1,实验流程如图2所示,由于常用的离心泵、螺S型高速摄像仪进行拍摄,拍摄速度为3000帧杆泵等与输送浆体间因摩擦会产生大量的热从而使秒,曝光时间为1/20000。使用 Mastersizer2000马尔文激光测粒仪测量所用煤粉的表面积平均粒径Dx为24.6m,中值粒径dsy=92.90gm。所制水煤浆固含率为580%,密度p=1211kg·m3。通过美国Cahn公司的DCA315表面张力仪测得表面张力a为0.108N·m-1。使用NXS4C型水煤浆黏度计对13℃时的水煤浆的流变性进行测定,结果如图3所示。该水煤浆属于宾汉流体,对剪切应力和剪切速率拟合得到式(1)图1实验喷嘴结构r=t;+丌=1.3795r+15.285(1)Fig 1 Experimental atomizer configuration其表观黏度的表达式为衰1实验工况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程维等:水煤浆气流雾化的初次破裂特性shear rate/s-I图3水煤浆流变曲线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为液体表观黏度,Pa·s;r为剪切速率,s2;r为剪切应力,Pa;r,为屈服应力,Pa;图4水煤浆的破裂模式为刚度系数,Pa·s。由于实验用水煤浆为宾汉流Fig 4 Breakup mode of coal-water slurry体,因此引入宾汉 Reynolds数141(atomizer 1, u=0.40 ms)Re= edout4(c)、(d)所示。对于喷嘴2,当气速在50~160式中D。为液体射流直径,m;p为液体密度,m·s-时,也处于非轴对称雷利破裂模式kg·m-3;为喷嘴出口液速,m·s-为了与牛顿流体的破裂模式做比较,本文还对Weber数定义为水的破裂模式进行了研究,结果如图5所示。当气Do(速从12m·s‘增加至51时,水的破裂模式依次经过了轴对称雷利破裂模式[图5(a)]、非式中口为浆体表面张力,N·m;A为气体曹轴对称雷利破裂模式[图5(b)、膜状破裂模式度,kg·m-3;u为喷嘴出口气速,m·s-1[图5(c)]、拉丝破裂模式[图5(d)]直至爆发式2实验结果与讨论破裂模式[图5(e)]。其中只有气速在15~17ms范围内时才发生非轴对称雷利破裂。可见对于2.1水煤浆气流雾化的初次破裂模式水而言,非轴对称雷利破裂模式发生在低气速阶根据 Farago等对流体破裂划分的定义,流段,并且出现的范围很小;而对于水煤浆,非轴对体的初次破裂主要包括4种破裂模式:雷利破裂模称雷利破裂模式在所给条件下是占主导地位的破裂式、拉丝破裂模式、膜状破裂模式和爆发式破裂模模式,本文对水煤浆的这种破裂模式进行了较为详式。其中雷利破裂模式又分为轴对称破裂模式和非细的研究。轴对称破裂模式。水煤浆属于非牛顿流体,且屈服2.2水煤浆的射流核心长度应力高、黏度较大,因此与水等牛顿流体的破裂有对于牛顿流体的射流核心长度, Woodward很大不同。等10已经进行了比较详细的研究。在本文实验中,对于喷嘴1,图4(a)显示,当气速在21m·将从喷嘴出口至液柱主体首次发生断裂时的长度定s-时,水煤浆处于稳定状态。而气速在30m·义为射流的核心长度(L)),如图6所示,并使s1时,浆体受到气体的扰动作用,产生振荡,但用液体射流直径(D)将其量纲1化。对于喷嘴在视场内并未发生断裂,如图4(b)所示。当气速近端的射流破裂,研究所选取的范围是Lc/D2<为40m·s时,水煤浆液柱主体受到气体的加速15,与其相对应的气速范围分别是51~113m作用形成非轴对称波,并在气动力的持续作用下发s-(喷嘴1),63~16m·s-1(喷嘴2)生破裂,液柱主体成钩状,这一模式在气速增加到图7给出了两种形式喷嘴下,水煤浆的量纲113m:s'仍未发生变化,根据 Farago等的定义,射流核心长度随气速和液速的变化情况。结果显该模式属于非轴对称雷利破裂模式。在此模式下,示,水煤浆的射流核心长度随着气速的增加而减雾化过程中浆滴的产生均与液柱的振荡有关,如图小,而在气速相同的条件下,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图5水的破裂模式Fig 5 Breakup mode of water (atomizer 1, u:=0. 40 m.s)nCWS,/=0.74m·s图8不同气速下水和水煤浆的量纲1射流核心长度Lc/D图6射流核心长度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)同时为定量研究液速、气速对水煤浆射流核心长度的影响,将实验结果进行拟合,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相关系数为0.99,Lc/D计算值与测量值的比较如图9所示。6080100120140160180图7不同气速下水煤浆的量纲1射流核心长度Lc/DFig. 7 Variation of Lc/Do with gas jet velocity心长度越长。图8对比了水煤浆和水的量纲1射流核心长度,从中可以发现,水煤浆和水的射流核心easured Lc/D.长度随气速和液速具有相同的变化趋势。但在相同图9Lc/D计算值与测量值的比较条件下水煤浆的射流核心长度要远大于水的,当水Fig 9 Comparison between measured and煤浆的Lc/D。为12.34时,此时水的Lc/D为lculated Lc/Do第1期程维等:水煤浆气流雾化的初次破裂特性(a)to(b) tn +2ms (c)f-4ms (d)to-6ms (e) t:+8ms (f)4,+10ms图10水煤浆射流振荡过程Fig 10 Image of jet oscillating period (atomizer 1,u,=82 m.s, u=0. 40 m.s-)对于水的同轴射流破裂,进行同样的处理,得到式(6)eroglu等和曹显奎等研究了水的同轴射流核心长度,所得的经验公式中量纲1射流核心长度与气速和液速的关系分别为n,b∝a约为0.4~0.8,B约为02~0.6,与本文水的实验结果接近。对比式(5)和式(6),可见对于水煤050100150200250300350400450500550浆这类高黏非牛顿流体,气速对量纲1射流核心长度变化的影响更大图11灰度差分值的平方随像素点的变化2.3液体射流的振荡频率Fig. 11 Variation of square of gray difference with pixel由于水煤浆雾化处于非轴对称雷利破裂模式,液柱在振荡过程中端部形成了大颗粒浆滴,同时连接浆滴与液柱主体之间的丝状系带在气流的作用下也会发生二次雾化形成小颗粒浆滴。这意味着水煤浆液柱的振荡频率也代表着水煤浆雾化过程中浆滴的产生频率。因此详细了解水煤浆射流的振荡频率对于研究水煤浆的雾化有着极其重要的作用。水煤浆液柱的振荡过程如图10所示。考察浆体液柱发生明显振荡的部位在图片横向10上的位置变化,将所得数据进行频谱分析,即可得到浆体的振荡频率。如对于图10所给工况,提取图12水煤浆射流的振荡频率Fig. 12 Frequency of jet oscillating图片中振荡部位A的横向上所有像素点的灰度值( atomizer 1,=82m·s-1,a=0.40m·s1)(G),其灰度值差分的平方随像素点的变化如图11所示,定义其中灰度随像素点变化最快的地方为液增加而增加,但针对该喷嘴,水的非轴对称雷利破柱的边界。因此可以根据边缘检测法得知不同时刻裂模式对应的气速在15-17m,s,相对应的振下该部位液柱的位置变化,将这些数据进行频谱分荡频率在60-120Hz之间。而在同工况下,水媒析,得到其频谱图如图12所示。浆液柱则未产生振荡,这是由于水煤浆属于高黏非图13是两种不同尺寸喷嘴下频率f与气速和牛顿流体,屈服应力较大,因此更能抵抗气动力的液速的关系,结果显示,水煤浆振荡频率随着气速扰动作用的增加而增加。气速相同时,浆体的流速越大,振使用与频率相关的 Strouhal数(Sr)对水煤荡频率也越大。图13(a)中也给出了水在非轴对振荡频率进行分析,其表达式如下称雷利破裂模式下的振荡频率,其随气速和液速的·30化工学报第62卷由于液速很小,u≈u,对于频率进一步分析可以发现,频率∫与气速、液速和射流直径均有关,foD。0,可见浆体的射流直径越大,其振o water, u/=0.74m荡频率越小。同时可以发现,∫∞k2,∫∝3,60可见提高气速与液速均能增大浆体的振荡频率,但气速的影响更大。气速越大,液体振荡频率越高,意味着浆体的断裂频率越高,在煤浆流量一80定的情况下,单位时间内产生的浆滴越多,浆滴体(a)atomizer 1, Do=5. 1X10-3m积就越小,使雾化效果显著提升。对比图15(a)、(b)可以发现随着气速的增大,浆体断裂时产生的浆滴长度和直径逐渐变小,浆滴数量明显增◆CWS,聊=0.21m加,其中白线标识了两个气速下浆体断裂时波峰DCwS,4=041m·s处产生的大颗粒丝状浆滴,其平均直径分别为1.13mm和1.00mm,长度分别为19.06mm和11.2lmm。图13不同气速下水和水煤浆的振荡频率Fig 13 Variation of oscillating frequency(a)=82m·s-1(b)a=103m·swith gas jet velocity图15不同气速下的水煤浆破裂结合实验情况,特征长度为L=D,u为作用Fig. 15 Variation of breakup process with gas jet velocity于液柱上的气体速度,u=u,a,为气液相对速(atomizer 1, u=0. 40 m.s度。∫为水煤浆振荡频率,同时结合气、液表征3结论参数We和液体Re,根据实验数据得到其关系式为实验采用高速摄像仪,对水煤浆同轴射流的初Sr a 0. 0014We IRe 36(8)次破裂特性进行了实验研究,得出以下结论。其相关系数达到0.91,Sr计算值与测量值的比较(1)气速范围在40~160m·s-1,液速为如图14所示。0.21~0.74m·s-1时水煤浆的破裂模式为非轴对0010称雷利破裂模式。同样工况下,当水在气速超过5Im·s-时已呈现爆发式破裂模式,其仅在气速范围为15~17m·s1时才为非轴对称雷利破裂模式0006(2)水煤浆的量纲1射流核心长度随气速增大而减小,随液速增大而增大。同工况下水煤浆的射流核心长度比水的射流核心长度更长。(3)浆体的振荡频率随着气速和液速的增大而000200080.010增大。在液体流量一定的条件下,气速越高,则浆图14Sr计算值与测量值的比较体振荡频率越大,单位时间内产生的浆滴数目越Fig 14 Comparison between measured and多,浆滴的断裂直径和长度明显减小,使雾化效果calculated Sr显著提高。第1期程维等:水煤浆气流雾化的初次破裂特性·31peed gas stream: a phenomenological study [j]. exps.符号说明Fluids.,1994,16:401-410[9] Lasheras J C, villermaux E, Hopfinger E J Break-up andD1—中心通道内径,matomization of a round water jet by a high speed annular airD2—中心通道外径,mjet [n.J.FluD2—外通道内径,m[10] Marmottant P, Villermaux E On spray formation [J].Lc—液体射流核心长度,mJ. 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