王　珍（中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司，北京市100016）

噴霧蒸發(fā)中單個液滴蒸發(fā)特性的研究

王珍（中國華電集團科學(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液滴蒸發(fā)為對象，建立液滴與氣流間的傳熱傳質(zhì)模型，分析單個液滴的運動過程和熱質(zhì)傳遞特性，計算獲取了液滴直徑和完全蒸發(fā)時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，相同液滴初始條件下，來流溫度越高和速度越大，液滴與來流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過程越強，液滴完全蒸發(fā)時間越短，其中來流速度的影響主要體現(xiàn)在液滴剛剛進入氣體的初期蒸發(fā)階段，而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發(fā)，且通過增大液滴與來流間速度差，即可強化液滴的非平衡蒸發(fā)過程。

液滴；蒸發(fā)；傳熱；傳質(zhì)；仿真計算

噴霧蒸發(fā)技術(shù)是利用霧化裝置將原料液分散成細小的霧滴后，與流體介質(zhì)接觸蒸發(fā)的過程。系統(tǒng)深入研究單個液滴蒸發(fā)特性，分析各個因素對蒸發(fā)過程的影響，對理解噴霧蒸發(fā)技術(shù)很有必要。微細霧滴的熱質(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)兩個同時進行的過程。

孫慧娟等[1]對高溫燃氣中單個液滴的蒸發(fā)建立了數(shù)理模型，研究結(jié)果表明燃氣溫度越高，液滴最終達到的穩(wěn)定平均溫度越高，而燃氣速度對液滴的穩(wěn)定平均溫度和完全蒸發(fā)時間沒有影響。馬力等[2]采用懸掛液滴的方對單液滴蒸發(fā)過程進行了實驗研究，結(jié)果表明氣流速度對液滴的蒸發(fā)影響有限，不宜單純采取提高氣流速度來大幅加快液滴的蒸發(fā)。盧江等[3]針對單個液滴在高溫環(huán)境中的蒸發(fā)進行了研究，認為在液滴與所處介質(zhì)之間有相對運動時，液滴與周圍介質(zhì)間的熱量和質(zhì)量傳遞會加強。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)階段過程時間很短，液滴尺寸的變化很小。

本文以高溫氣流中單個液滴蒸發(fā)為對象，建立液滴與氣流間的傳熱傳質(zhì)模型，分析單個液滴的運動過程和熱質(zhì)傳遞特性，計算獲取了液滴直徑和完全蒸發(fā)時間的變化規(guī)律。

1　計算模型

本文基于離散相模型進行液滴蒸發(fā)過程的仿真分析，以直徑為20mm，長度為1000mm的圓管作為計算域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為867858個，經(jīng)網(wǎng)格相關(guān)性驗證滿足研究需求。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，可認為邊界層對液滴運動無影響。同時為了弱化圓管入口效應(yīng)的影響，液滴噴入點設(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。

本文分別針對不同來流溫度（=443K，463K，483K，503K）、不同來流速度（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）計算了蒸發(fā)過程中液滴直徑以及完全蒸發(fā)時間，獲取了液滴蒸發(fā)行為特性。

2　結(jié)果分析

2.1來流流速V∞的影響（見圖1）

圖1　不同來流速度V∞下液滴完全蒸發(fā)時間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，來流溫度=443K時，不同來流速度V∞對應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時間。對于相同的來流溫度和液滴初始條件，隨著來流速度的提高，液滴完全蒸發(fā)時間不斷降低。因為來流溫度確定時，液滴的平衡蒸發(fā)溫度也確定了，而來流速度的影響并不大，因此來流速度對液滴蒸發(fā)的影響主要表現(xiàn)在液滴剛進入來流氣體初期的非平衡蒸發(fā)階段，即對于相同的液滴初速度，當(dāng)來流速度越大時，液滴與來流氣體之間的對流越強烈，伴隨著傳質(zhì)和傳熱過程更強，因此液滴蒸發(fā)量越大。而本文所研究液滴尺寸較?。?50μm），在進入來流氣體后很短時間（＜0.05s）液滴溫度即達到平衡蒸發(fā)溫度，因此雖然來流速度可以顯著增強非平衡階段液滴的蒸發(fā)效果，但因為非平衡狀態(tài)維持時間較短，因此來流速度對液滴的整個蒸發(fā)周期的影響是有限。

2.2來流溫度T∞的影響

以來流速度V∞=10m/s，液滴初始速度Vp，0=10m/s為例，當(dāng)來流溫度T∞=443K時，液滴完全蒸發(fā)時間=0.1361s，當(dāng)T∞升高至503K時，減少至0.0929s。可見隨著來流氣體的溫度升高，液滴完全蒸發(fā)時間將減小。主要因為隨著來流氣體的溫度升高，液滴平衡蒸發(fā)階段的傳熱溫差增大，傳熱強度大，表明此階段液滴蒸發(fā)量大，因此液滴完全蒸發(fā)時間減小。

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)時間τ（V∞=30m/s，Tp，0=323K，dp，0=50μm，T∞=443K）

圖2所示為來流速度V∞為30m/s，來流溫度為443K，液滴初始溫度為323K，液滴初始直徑為50μm時，不同液滴初始速度對應(yīng)的液滴完全蒸發(fā)時間。對于外部環(huán)境條件相同的液滴，在其初始直徑相同時，液滴的完全蒸發(fā)時間隨著液滴初始速度呈現(xiàn)著對稱分布的變化結(jié)果，而液滴完全蒸發(fā)時間最大的液滴初始速度對應(yīng)著當(dāng)?shù)氐膩砹魉俣?，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，液滴周圍速度實際約為35m/s，因此液滴完全蒸發(fā)時間最大時對應(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)貋砹魉俣葧r，液滴蒸發(fā)時間都將減小，因為當(dāng)液滴速度與來流速度不一致時，由于液滴四周邊界層中的對流作用，較相對靜止?fàn)顟B(tài)時，液滴的傳質(zhì)過程被強化，更大的水分蒸發(fā)，因此蒸發(fā)速度也隨著增大。同時，由圖2可見，通過增大液滴與來流的速度差，可強化液滴的非平衡蒸發(fā)過程，而不需要一味的增大液滴的初始速度。

3　結(jié)論

本文建立了單個液滴在高溫氣流中運動和蒸發(fā)過程的仿真模型，分析了來流速度等因素對液滴蒸發(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，來流溫度越高和速度越大，液滴與來流氣體間的傳熱和傳質(zhì)過程越強，液滴完全蒸發(fā)時間越短，其中來流速度的影響主要體現(xiàn)在液滴剛剛進入氣體的初期蒸發(fā)階段，而來流溫度則通過平衡階段傳熱溫差來影響液滴蒸發(fā)。

[1]孫慧娟，張海濱，白博峰.高溫燃氣中單個液滴的蒸發(fā)特性.西安交通大學(xué)學(xué)報，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)影響因素實驗研究.現(xiàn)代化工，2013，33（1）：103～106.

[3]盧 江，余 敏，陶樂仁，趙吉哲.水滴蒸發(fā)的理論分析與蒸發(fā)時間的研究.上海理工大學(xué)學(xué)報，2003，25（1）：36～38.

[4]劉乃玲，張 旭.液滴蒸發(fā)過程理論分析及非穩(wěn)態(tài)過程數(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，主要研究方向為高效多相流動仿真分析及節(jié)能減排技術(shù)研究。

王珍。