第23卷第4期高校化学工程学报No.4 Vol.23 2009 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2009稿件编号：1003-9015(2009)04-0577-05Y型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布纪利俊1, 陈葵1, 武斌1, 朱家文1, 刘海峰2(1.华东理工大学化工学院, 2. 华东理工大学资源与环境学院, 上海 200237)摘要：索特平均滴径(SMD)和滴径分布是描述喷嘴雾化性能的主要指标。
根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，得到了SMD的表达式。
考察了Y型喷嘴对氯化聚氯乙烯(CPVC)氯化液的雾化过程，利用Mastersizer2000型测粒仪测定了雾化滴径分布。
关联了SMD的经验方程，得到了初次雾化平均滴径。
采用液滴随机分裂模型模拟计算了雾化滴径分布，计算结果与实验结果吻合，说明模型和平均滴径方程可以用来预测Y型喷嘴的雾化性能。
关键词：喷嘴；气流式；雾化；滴径；随机分裂中图分类号：TQ051.73 文献标识码：ADroplet Size and Droplet Size Distribution of Y-Type Air-Blast NozzleJI Li-jun1, CHEN Kui 1, WU Bin 1, ZHU Jia-wen 1, LIU Hai-feng 2(1.College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology; 2.College of Resourceand Environmental, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China) Abstract：Sauter mean diameter (SMD) and droplet size distribution are important parameters for description of atomization property of a nozzle. In this paper, a stochastic breakup model was presented according to the atomization characteristics of the Y-type air-blast nozzle, and the equation for SMD calculation was obtained based on the model. Atomization process of chlorinated polyvinyl chloride (CPVC) solution was investigated with Y-type air-blast nozzle. The droplet size distribution was measured by using Malvern Mastersizer of type 2000. Based on the experimental data, the SMD equation was fitted and the mean droplet diameter of initial breakup was obtained. According to the stochastic breakup model, the droplet breakup process was simulated with Matlab 6.5. The simulation results of the droplet size distribution agreed well with the experimental data. With the equation of SMD and the model, the SMD and the droplet size distribution of Y-type air-blast nozzle can be predicted satisfactorily . Key words: nozzle； air-blast；atomization；droplet size；stochastic breakup1引言气流式雾化是指液体在高速气流的冲击作用下破碎成为微小液滴的过程。
与压力雾化喷嘴不同，气流式雾化喷嘴能有效促进气液两相的混合，因而在液体燃料的燃烧与汽化、干燥、粉末冶金、航空航天等领域有广泛的应用[1~5]。
根据气液混合方式的不同，气流式雾化喷嘴可分为内混式喷嘴和外混式喷嘴两类。
Y 型喷嘴是一种内混式气流雾化喷嘴，其雾化机理最先由Mullinger[6]提出，认为液体进入混合孔后，在气流的作用下，气液两相在混合孔内形成环状流，气、液两相界面上发生强烈的动量交换，以达到加速液流实现雾化的目的。
Y型喷嘴具有雾化质量好，调节范围大和结构简单等优点，特别适用于高黏度液体的雾化。
溶剂法生产氯化聚氯乙烯(CPVC)树脂中，氯化完成后形成的氯化液是CPVC树脂的有机溶液，经喷雾脱溶剂后得到CPVC树脂。
氯化液经喷嘴雾化后，比表面积迅速增大，强化了溶剂脱除中的传热及传质过程，雾化质量的优劣是影响脱溶剂效果的关键因素之一。
本文以氯化液喷雾脱溶剂为背景，根据Y型喷嘴雾化过程的特征，提出了Y型喷嘴的液滴随机分裂模型，研究了雾化的平均滴径与滴径分布。
收稿日期：2008-12-17；修订日期：2009-04-22。
基金项目：上海氯碱化工股份有限公司电化厂提供资助。
作者简介：纪利俊(1972-)，男，山东青岛人，华东理工大学讲师，博士。
通讯联系人：陈葵，E-mail：chenkui@578 高 校 化 学 工 程 学 报 2009年8月2 理论分析2.1 雾化滴径及其分布预测方法由于雾化过程的复杂性，雾化的机理还不是很清楚，而且它受诸如气液速度、液体和气体的物性、破碎所产生液块的形状、雾化装置的设计等因素影响较大。
随着实验手段和理论水平的发展，对气流雾化的研究不仅仅限于唯象的层次，人们通过实验现象的测试与分析揭示雾化的机理与规律，进而采用合理的数学物理模型和有效的数值方法模拟复杂的雾化过程，预测各种因素对雾化性能的影响和雾化场的最终特性。
2002年，Babinsky 和Sojka [7]将描述气流式雾化过程的滴径的方法归纳为经验法、最大熵法(ME 法)和离散概率函数法(DPF 法)。
2003年，Gorokhovski [8]和Apte 等[9]将Kolmogorov 的固体颗粒破裂假设应用于气流式雾化过程的滴径分布计算。
Kolmogorov 理论认为，一个母代固体颗粒破裂成一定数目小颗粒的概率与母代颗粒的大小无关，即分裂过程是一自相似的过程。
周炜星[10]等的液滴随机分裂方法本质上也属于这一类方法，他们通过一个母代液滴分裂成两个质量分数在[0,1]间均匀分布的子代液滴的简单模型探讨了液滴分裂过程的自相似性。
刘海峰等[11~13]在周炜星等的液滴随机分裂模型基础上，进一步提出了液滴有限随机分裂模型，并成功应用于双通道和三通道喷嘴气流式雾化过程研究。
2.2 Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型液滴随机分裂模型是一个通用的简化的液滴分裂过程的基本模型，应用于不同的喷嘴和雾化介质，需要根据喷嘴结构、雾化介质和操作条件等确定具体的模型参数。
根据液滴随机分裂模型基本原理，结合Y 型喷嘴雾化过程的特点，提出了如下的适用于Y 型喷嘴的液滴随机分裂模型。
模型假设为：(1)Y 型气流式喷嘴的雾化过程分为初次分裂和二次分裂两个过程； (2)初次分裂生成的液滴具有一定的大小和分布；(3)二次分裂时，不考虑液滴的聚并，或者考察液滴分裂和聚并的动态过程的合效应； (4)每个液滴生长一代后可以分裂成两个，生成液滴的质量百分比满足[0,1]上的均匀概率分布。
以上假设中的液滴分裂模式与周炜星[10]等的液滴随机分裂模型相同，液滴分裂过程的示意图见图1。
与周炜星的模型的不同之处在于，假设(3)考虑了初次分裂生成的液滴的大小和分布，符合人们对初次分裂过程的研究结果。
上述模型假设中，需要确定的模型参数主要是初次分裂后生成的液滴大小和分布。
Villermaux [14] 和Marmottant [15] 发现，气流式雾化初次分裂后生成的液滴分布符合如下关系：1B e ()n n nxn P x n −−=Γ (1)式中，0Dx D =，D 和D 0分别为滴径和初次分裂平均滴径；()n Γ为Gamma 函数。
采用上式作为初次分裂后生成的液滴，其中的2个参数，初次分裂平均滴径D 0和n 由实验数据确定。
2.3 雾化平均滴径液体的气流式雾化过程可以分为近喷嘴区域的初次分裂和离喷嘴较远区域二次雾化。
以下根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，应用于二次雾化过程，得到气、液质量流量与索特平均滴径SMD 的关系。
根据Y 型气流式喷嘴的液滴随机分裂模型，第j 代和j ＋1代液滴的SMD 满足：1SMD const SMD j j+= (2)式(2)是液滴分裂过程自相似假设的必然结果，说明 {}j SMD 是一个等比级数[11,13]。
因此有：SMD j jD C = (3)当液滴直径满足上述关系时，根据液滴在气流中的分裂时间和运动过程分析，文献[12]推导出了雾化平图1 液滴分裂过程示意图Fig.1 Schematic diagram of droplet breakup第23卷第4期 纪利俊等：Y 型气流式喷嘴的雾化滴径和滴径分布 579均滴径方程：()()35G L 605/3G G 4GSMD N C C u u CD u u C u ′−−=−′′′ (4) 对于Y 型喷嘴，气液从分离态到相互接触时间τd ＝0，即上式中的参数C 6=0。
因为液膜初始速度远小于气流速度，忽略u L 可得：()1/30GSMD 'N D C u ′=− (5)其中，Gu ′为同轴射流的特征气速，GG1u u m′=+。
Villermaux 等[15]发现，初次分裂生成的液丝长度随气流速度变化不明显，所以液滴初始的平均滴径0D 近似为常数，并且不随气流速度变化。
即1/3G 12SMD 1u a a m ⎛⎞=−⎜⎟+⎝⎠(6)根据文献[12]对式(4)的推导过程，参数C 3~C 6与气、液物性有关，因此式(6)中的a 2亦是与气、液物性相关的参数。