水平管降膜蒸发器离心布液喷嘴喷淋过程机理研究

本项目主要针对水平管降膜蒸发器广泛采用的离心布液喷嘴喷淋过程机理进行研究，重点研究离心布液喷嘴结构流道中气液两相流动动力学特性和结构流道对连续相流体离散破碎及喷淋特性的作用机制，主要开展了如下工作： 首先，对离心喷嘴内部流动进行了可视化实验。根据流体在旋流室填充程度和空气流场区域规则程度的不同，对流体填充喷嘴过程的流动状态进行了四种流态划分，并分析了形成机理；对液膜破碎过程进行了观测，根据液膜形态的不同，把低入口压力下喷嘴液膜破碎过程分为伞状液膜、破碎孔、液膜撕裂三个阶段，明确了三个阶段的转换过程。 其次，进行了不同结构离心喷嘴性能以及喷淋锥角和喷淋密度等喷淋特性的实验研究。喷嘴入口流量和喷淋锥角均随着入口压力增大而增加，其中入口流量呈现非线性增加，而喷淋锥角先增大后不变，即当喷嘴入口压力大于某一临界值后达到稳定状态，其角度不再发生变化，与喷嘴出口扩张角一致。在不同的入口压力下，喷嘴喷淋区域均具有较好的对称性，喷淋区域直径则先增大后不变，与喷淋锥角的变化规律一致。另外，明确了不同压力和喷淋高度下，喷嘴喷淋区域的变化趋势。 然后，进行了离心喷嘴的内部填充和稳定流动过程的数值模拟，明确了内部填充过程的流动形态，并对不同结构的喷嘴稳定流动的流场特性进行了分析对比，由于喷嘴的单侧入口使得顶部无特殊结构的喷嘴内部流场及气液分布呈现严重的不对称性，可以通过在顶部加入导流结构来缓解，导流结构对整个喷嘴内部流场的动能和液相流场没有显著的影响，但会加强内部流场的扰动，气相湍流情况加剧，空气芯扭曲现象加剧，从而改善喷嘴流场和空气芯位置的不对称性，扭曲程度越大的喷嘴，更利于气液两相的掺混，流出液相的对称性越好，喷嘴工作的稳定性和可靠度越强。 最后，分析了顶部圆台结构离心喷嘴旋流室高度、入口直径、圆台直径、圆台高度、出口扩散角、出口直径、出口直管段长度等几何结构参数对于喷淋特性和喷淋密度的影响规律。 2100433B

低温多效蒸发目前已成为我国海水淡化技术的主流发展方向之一，水平管降膜蒸发器作为低温多效蒸发海水淡化装置的核心设备，其水平管布液效果直接影响设备整体的使用性能和整套装置的运行效率。本项目主要针对水平管降膜蒸发器广泛采用的离心布液喷嘴的喷淋过程进行研究，重点研究离心布液喷嘴结构流道中气液两相流动动力学特性和结构流道对连续相流体离散破碎及喷淋的作用机制。通过PIV测试可视化离心布液喷嘴结构流道内部介质流动过程和气液两相流场及外部喷淋过程，获得结构流道几何结构及流动参数对流场特性及喷淋特性的影响规律，在实验研究的基础上，开展三维数值模拟和理论分析，研究结构流道对流体流动、离散破碎及喷淋的作用机制，建立结构流道几何结构、流动参数、流场特性和喷淋特性之间的理论关系，并最终实现对离心布液喷嘴喷淋过程机理的理论认识，为优化设计离心布液喷嘴和改善布液喷淋质量提供基础的理论支持

研究表明，喷嘴雾化过程主要受4种力的控制，即气动阻力、黏性力、液体的表面张力和惯性力。这4种力之间的相互作用，使连续的液注发生分裂、破碎。一般认为喷嘴雾化过程分为射流雾化过程与液膜雾化过程。

Rayleigh于1876年对射流破碎机理进行了分析。他采用小扰动方法分析了低速射流破碎所需要的条件，认为只有当对称的扰动波波长达到与射流直径可比时才能使得射流破碎。Tyler通过测量射流破碎的频率，研究了射流破碎与扰动波波长之间的关系，验证了Rayleigh的理论分析。

Weber发展了更具一般意义的低速黏性射流破碎理论，提出射流破碎存在最佳扰动波波长，并给出了其表达式。通过分析液体雾化过程中各种力的相互作用，他认为气动力对液体的摩擦作用与液体自身的高速流动惯性是导致液滴破碎的重要原因。当气动阻力的作用大于表面张力时，液体就会发生雾化现象，液体表面发生液滴剥离。据此他提出了一个无量纲常数——Weber数，并给出了雾化现象发生的临界Weber数、临界液体速度等重要指标参数。

Haenlein则通过试验验证了Weber的结论，并将液体射流雾化区分为4类过程：无空气影响时的液滴形成、有空气影响时的液滴形成、射流波动引起的液滴生成和射流的完全破碎即雾化。Ohnesorge 根据射流 受 力 的 重 要程度将数据进行整 理，引入无量纲数Ohnesorge 数将射流破碎过程分为 3 个阶段：

(1) 低雷诺数段，此时 Rayleigh 机理控制破碎过程：

(2) 中雷诺数段，射流破碎由射流扰动控制；

(3) 高雷诺数段，雾化过程在喷嘴出口很短的距离内完成。

这个分类广为引用。最近，为了解决 Ohnesorge 分类图中存在的不确定状态问题，Reitz 通过分析柴油机喷雾的试验数据，提出以下 4 种破碎状态：Rayleigh 形破碎；一次风生破碎；二次风生破碎以及雾化。

Fraser 和 Eisenklam 定义了 3 种液膜破碎方式：边缘脱落、表面波动及液膜穿孔。他们认为液膜破碎时首先转变为液带，而后继续破碎为液滴。边缘脱落所形成的液滴仍然沿着破碎前的方向运动。液膜穿孔方式形成的液滴具有很好的均匀性，而表面波动方式形成的液滴尺寸变化很大。对于发生液膜雾化的喷嘴来说，3 种破碎方式可能同时发生。1950年代，Dombrowski 和 Fraser 通过大量试验深入研究了液膜的破碎过程。他们发现，液带主要是由于液膜穿孔造成，如果孔由空气摩擦引起，液带会非常快地破碎：而孔若由喷嘴中的湍流引起，则液带破碎得很慢。他们总结认为：高表面张力和高黏性的液膜最难于破碎：液体的密度对液膜破碎几乎不起作用。York 等人对平面液膜的破碎机理进行了理论与试验研究，得到结论认为，连续相与离散相界面之间的不稳定性和表面波的形成是影响液膜破碎为液滴的主要因素。

可见，上述机理分析离不开试验的支持。因雾化过程复杂，迄今为止几乎所有的理论研究结果都是经验和半经验的。

离心喷嘴是使燃油在油压作用下经过喷嘴切向孔进入旋流室，由喷口喷出进入燃烧室的喷嘴。燃料在离心力作用下在喷嘴出口形成锥形薄膜，破碎后产生较细的油珠。

中文名称

离心喷嘴

英文名称

swirl injector

定　　义

使燃油在油压作用下经过喷嘴切向孔进入旋流室，由喷口喷出进入燃烧室的喷嘴。燃料在离心力作用下在喷嘴出口形成锥形薄膜，破碎后产生较细的油珠。

应用学科

航空科技（一级学科），推进技术与航空动力装置（二级学科）

喷淋冷却技术主要包括向IT设备喷洒冷却液的布液装置（包括特制的喷淋服务器机箱 ，特制的液冷机柜）， 冷量分配单元（CDU），室外散热器；

喷淋服务器机箱：与普通服务器机箱相比，主要特点是取消了风扇的进出风口，改为进液口与回液口。服务器机箱有密封处理，防止冷却液泄露；机箱顶板改为喷淋板，用于向发热器件喷洒绝缘冷却液；

液冷机柜：液冷机柜内部设有进液管与回液管，进液管向IT设备供应冷却液，回液管回收被加热后的冷却液；

冷量分配单元：内部主要包括泵，过滤器，换热器，其中，泵的作用是驱动冷却液流动，向IT设备内不间断输送冷却液；过滤器作用是滤除冷却液内部的微米级杂质，防止固体杂质在IT设备上沉积； 换热器作用是将冷却液的热量与二次循环回路中的冷媒（如水，乙二醇）进行热交换。

室外散热器：布置于室外的散热器将二次循环回路中的冷媒与室外空气进行热交换，将热量散失到外部大气，散热器通常使用空调行业常用的管翅式换热器，工业常用的板翅式换热器，以及冷水塔。管翅式换热器，板翅式换热器，冷水塔能够最大程度利用自然冷源-空气，无需采用能效较低的压缩制冷方式，因此较节能。