[發(fā)明專利]用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置及霧化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210494804.6
• 申請日: 2022-05-07
• 公開（公告）號: CN114857621B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁曉明;王寧;蹤雪梅;何冰;葛俊禮;肖浩洋;張睿聰
• 申請（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號: F23R3/38
• 分類號: F23R3/38;F23R3/28;F23R3/12
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11474
• 代理人: 王冬杰

1.一種用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置，其包括外殼、內(nèi)殼和Z型旋流器，其特征在于，

所述外殼的圓周方向上均勻設(shè)有氧化劑噴孔，所述氧化劑噴孔的底部設(shè)有噴孔出口，所述外殼的內(nèi)部安裝端和所述內(nèi)殼的外部安裝端連接，所述內(nèi)殼的內(nèi)部靠近頂部的位置設(shè)有直面安裝端，所述直面安裝端和所述Z型旋流器連接，所述內(nèi)殼的內(nèi)部靠近底部的位置設(shè)有斜面安裝端，所述斜面安裝端和溝槽流道連接，所述Z型旋流器和所述溝槽流道的中部設(shè)有內(nèi)孔，所述內(nèi)孔的頂部設(shè)有軸心氧化劑入口，所述內(nèi)孔的底部設(shè)有軸心氧化劑出口，所述溝槽流道的底部設(shè)有旋流噴嘴出口，所述Z型旋流器的外壁均勻設(shè)有Z型旋流器入口；

所述Z型旋流器上的Z型旋流器入口使非牛頓流體產(chǎn)生旋流式流動，從而提高非牛頓流體的流動速度，所述Z型旋流器入口的脊線為旋輪線結(jié)構(gòu)，所述旋輪線結(jié)構(gòu)的脊線的具體表達式為：

式中，x為旋輪線脊線所在平面的橫坐標；y為旋輪線脊線所在平面的縱坐標；所在α為旋輪線的偏轉(zhuǎn)角度；R為旋輪線的半徑；

根據(jù)Z型旋流器入口在Z型旋流器上的分布形式，確定Z型旋流器上Z型旋流器入口的旋流數(shù)N，具體表達式如下：

N＝U/V

式中，U為旋流器中射流特征面上的最大切向速度；V為旋流器中最大軸向速度分量；

針對Z型旋流器上Z型旋流器入口的分布和旋流數(shù)N，確定Z型旋流器上Z型旋流器入口的旋流強度S，根據(jù)旋流強度S判斷是否滿足實際使用需求，具體表達式為：

式中，r₀為Z型旋流器的內(nèi)半徑，R₀為Z型旋流器的外半徑，α為旋輪線的偏轉(zhuǎn)角度，R_pj為氣流通過軸向旋流器的旋轉(zhuǎn)半徑，r₀為Z型旋流器的內(nèi)半徑，R₀為Z型旋流器的外半徑，A為出口流通截面積，A₀旋流器出口截面積；

所述噴孔出口和所述旋流噴嘴出口組成混合區(qū)域，所述Z型旋流器、所述內(nèi)殼和所述溝槽流道組成旋流流道，所述混合區(qū)域位于所述旋流流道的下端；

燃料經(jīng)Z型旋流器形成旋轉(zhuǎn)流動，由溝槽流道經(jīng)旋流噴嘴出口加速并流向位于旋流流道下端的混合區(qū)域，在混合區(qū)域處與軸心氧化劑出口和噴孔出口噴出的氧化劑相遇混合；Z型旋流器和溝槽流道使流體產(chǎn)生較快的流動速度對應(yīng)的壓降ΔP_f增大，索特平均直徑降低。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置，其特征在于，所述氧化劑噴孔的數(shù)量為八個，所述噴孔出口和所述軸心氧化劑出口的射流相交于一點。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置，其特征在于，所述氧化劑噴孔的軸心和所述軸心氧化劑出口的軸心的夾角β在30°～60°內(nèi)，所述旋流噴嘴出口和裝置自身豎直方向的夾角α在30°～50°內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置，其特征在于，所述Z型旋流器上Z型旋流器入口的脊線角度在30°～60°內(nèi)，所述溝槽流道壁上的半圓直徑為2mm。

5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的用于高壓非牛頓流體的霧化射流噴嘴裝置的霧化方法，其特征在于，具體實施步驟為：

S1、根據(jù)所需霧化錐角，設(shè)計氧化劑噴孔的軸心與軸心氧化劑出口的軸心的夾角β和氧化劑噴孔；

S2、根據(jù)預(yù)設(shè)的霧化效果，將一定數(shù)量的氧化劑噴孔沿外殼的軸線進行圓形陣列；

S3、在流體仿真平臺上對非牛頓流體進行模擬仿真，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)置旋流器的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將可調(diào)參數(shù)設(shè)置為全局變量；

S4、在S3的基礎(chǔ)上，分別給定非牛頓流體在Z型旋流器入口的壓力、氧化劑在軸心氧化劑入口壓力和氧化劑噴孔入口的壓力；

S5、非牛頓流體經(jīng)Z型旋流器產(chǎn)生防止堵塞的旋轉(zhuǎn)流速流入溝槽流道，并通過溝槽流道降低非牛頓流體的流動阻力，從旋流噴嘴出口流出；

溝槽流道的底部間距越大，附著在溝槽流道上的二次渦流就被抬得越高，粘性底層的厚度越大，溝槽流道表面的減阻效果越好，隨著流向距離的增加溝槽流道改變了近壁面區(qū)域的湍流流場結(jié)構(gòu)，由于溝槽流道的存在，切斷了近壁區(qū)流體的展向運動，抑制了流體微團間的動量交換，使得溝槽流道底部存在大量低速穩(wěn)定的流體；

S6、從旋流噴嘴出口流出的非牛頓流體與軸心氧化劑出口噴射出的氧化劑進行第一次霧化碰撞，并根據(jù)所需霧動量實時調(diào)節(jié)軸心氧化劑入口的壓力；

S7、從氧化劑噴孔噴射出的氧化劑與S6中所產(chǎn)生的霧化液滴進行第二次霧化碰撞；

S8、在混合區(qū)域二次霧化碰撞后，利用索特平均直徑SMD來作為衡量霧化質(zhì)量的指標，其表達式如下：

式中：μ_f為非牛頓流體運動的粘度，σ_f為非牛頓流體表面的張力，G_f為非牛頓流體的流量，ΔP_f為非牛頓流體的壓降。