一种用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法

技术领域

本发明属于气雾两相流模化领域，尤其是一种用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法。

背景技术

气雾两相流广泛存在于能源、化工、医药、生物等领域，如动力系统中的燃油雾化、化工行业的喷淋加湿、航空发动机射流预冷等，合理组织气雾两相流过程是实现系统高效与安全的基础。在诸多情况下，受限于实验室条件和测试技术，接近工程实际环境条件的高温气雾两相流过程的实验研究困难，在很大程度上制约了气雾两相流组织技术发展和系统过程的优化。基于过程相似的模化实验是开展上述真实气液两相流过程的可行方法，但是由于气雾两相流过程的复杂性，如液滴的蒸发运动为动态变化过程，涉及传热传质、湍流、气动携运等复杂行为，难以用无量纲参数完整描述其运动蒸发过程。常用的相似理论模型多针对物理结构相似或单相流动状态相似，不能满足两相流过程的相似性描述，而目前针对气液两相流过程的相似理论研究远不成熟，制约了相似模化实验的设计与开展。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法，包括以下步骤：

(1)、确定模型工质，同时获取所述工质在不同温度、压力条件下的密度、动力粘度、热导率和蒸发潜热；

(2)、相似模型参数确定

(201)、给定原型工况气流温度

(202)、根据所述原型工况参数，计算原型液滴的蒸发运动轨迹；

(203)、选择模型的气流温度为

(204)、计算原型气流的雷诺数，根据原型与模型两种条件下的气流雷诺数相等，结合模型几何尺寸，计算模型中气流的速度

(205)、任意选取模型液滴的初始直径

(206)、判断模型与原型中两者液滴的蒸发终点是否相同，若不相同，则重复步骤(205)，直到所选取的模型液滴初始直径

(207)、判断模型与原型中两者液滴的运动轨迹是否相似，若不相似，则重新选择模型气流温度，重复步骤(203)-(206)，直到模型与原型两种条件下的液滴运动轨迹相似；若相似，则得到相似模型参数：

(208)、重复步骤(201)-(207)，得出不同温度下满足模型与原型两者液滴蒸发运动轨迹相似的参数组合；

(3)、基于不同温度下满足模型与原型两者液滴蒸发运动轨迹相似的参数组合，计算原型和模型的气流的施密特数Sc

进一步的，步骤(204)中，按照式(1)计算原型气流的雷诺数，按照式(2)确定模型中气流的速度

式中：

进一步的，步骤(207)中判断方法为：

计算模型液滴运动轨迹的斜率，若模型和原型液滴轨迹斜率相差不大于1％，则判定液滴运动轨迹相似；若模型和原型液滴运动轨迹斜率相差大于1％，判定液滴运动轨迹不相似。

进一步的，步骤(208)中以预设间隔按照温度从低到高的顺序给定温度。

进一步的，所述预设间隔为50℃。

进一步的，步骤(3)中气流的施密特数Sc

式中：B

进一步的，式(5)中的液滴普朗特数按照式(6)计算：

式中：c

进一步的，步骤(3)之后还包括：

基于所述相似性准则进行不同工质间的相似模化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法，基于雾化液滴的运动蒸发轨迹相似提出相似模化无量纲准则数，进而结合数值算法迭代求解不同工质间模化的相似性准则关系，进而可用于开展相似模化实验设计。本发明实现了不同工质喷雾液滴扩散蒸发过程的相似模化，为高温喷雾蒸发过程开展模化实验提供了理论依据与方法支撑，解决了工程实际复杂环境条件下喷雾蒸发两相流过程难以开展实验研究的难题。本发明提出的相似性准则确定方法实施简单，无需开展实验测试。采用本方法开展相似模化实验，可大幅降低试验成本费用和实验安全风险，并显著降低流场参数的测试难度。

附图说明

图1为本发明计算中采用的喷雾蒸发通道的结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的不同假定温度下模型液滴运动轨迹与原型液滴运动轨迹曲线对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明基于液滴的蒸发运动轨迹相似，提出了用于不同工质喷雾液滴运动蒸发过程的相似性准则确定方法，为开展高温气雾两相流过程的相似模化实验提供方法指导。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例

参见图1，图1为本发明计算中采用的喷雾蒸发通道的结构示意图；喷雾蒸发通道为矩形管道结构，其横截面尺寸为D×D，长度为L。原型尺寸为0.1m×0.1m×0.8m，模型尺寸为0.05m×0.05m×0.4m(模型缩比0.5)。喷雾液滴注入位置在距离通道入口0.25L位置处；横流气体为空气，原型喷雾工质为水，模型喷雾工质为丙酮。

根据本发明的相似模型参数确定方法，首先确定原型工况参数见表1。然后开展模型与原型喷雾液滴蒸发运动轨迹相似下的模型参数求解计算，迭代计算步骤参见图2，具体为：

首先假设模型气流温度为375K，根据横流雷诺数相等，按照式(7)和式(8)计算该温度下模型气流速度

根据蒸发终点相同的原则，迭代计算得到液滴初始直径和初始速度分别为31.93μm和9.12m/s。对比模型和原型两者液滴运动轨迹斜率相差大于1％，表明液滴运动轨迹不相似，重新假设模型温度并迭代计算。表2为假设的6个模型温度值及对应的液滴直径和初始速度(满足模型与原型液滴蒸发终点相同)。

图3是原型液滴的运动轨迹和6种模型温度值对应的液滴运动轨迹，通过对比液滴运动轨迹曲线的斜率，得出模型气流温度为432K时(此时模型气流速度为15.04m/s、液滴初始直径为31.93μm、初始速度为9.12m/s)可以满足液滴运动轨迹与原型相似。基于上述步骤，即可得出不同温度下模型与原型两者液滴蒸发运动轨迹相似的参数组合，并得到相似性准则数(气流的雷诺数Re

综上所述，本发明实现了预期的目标，提出的相似模型参数确定方法实现了不同工质液滴蒸发过程的相似模化。

表1原型工况参数

表2模型迭代结果

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。