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3.2 射流流型演變過程的觀察

不同射流流速和進口氣速下,射流流型不同,后者影響著氣液傳質效率等。進行射流流型研究前,首先需要對其進行適當的定義。

(1)穩態射流(steady state jet,SS jet):在較低的空氣進口氣速下,液相射流從WSA的噴孔噴射而出,沿著噴孔的軸中心線垂直射到WSA中的中心氣管上,射流幾乎不變形、不偏折,此時射流柱長度為WSA主筒體和中心氣管之間的環隙寬度,設為L0

(2)變形旋線射流(deformed spiral jet,DS jet):隨著旋流空氣氣速的增大,射流柱被吹扁變形、發生彎曲,但是射流還能保持射到中心氣管表面上。

(3)破碎旋線射流(broken spiral jet,BS jet):隨著空氣進口氣速的繼續增大,液相射流柱有L≤0.5L0的長度已經偏離了中心管,射流尾端已進入了氣液作用的環隙之間,并且該部分射流柱已經發生了膨脹、擴大以及破碎。

(4)霧化旋線射流(atomized spiral jet,AS jet):當氣速繼續增大,射流柱中有0.5L0L≤0.75L0的長度偏離了中心管,進入了氣液作用的環隙區域內,且該部分射流柱已經發生了由破碎到霧化的過渡,形成了霧化的向下旋流。

(5)貼壁霧化旋線射流(total atomized spiral jet,TAS jet):當射流柱長度有L≥0.75L0的流柱已經形成了霧化狀態,并被旋流氣體吹壓貼在WSA主筒體內壁表面區域,宏觀上呈現出內壁表面上的霧化旋線射流狀態。

當射流流速較低時(uL=2.65m·s-1),射流流型隨進口氣速的變化如圖3.2所示。對照流型的定義,由圖3.2可知,低射流流速下,射流表現出5種流態,即穩態射流、變形旋線射流、破碎旋線射流、霧化旋線射流和貼壁霧化旋線射流。整個過程中,隨著進口氣速增大,射流被氣流霧化的程度也變大,由穩態射流經過一系列中間狀態,逐漸轉變為霧化旋線射流。但當進口氣速繼續增大時,被霧化的射流開始沿著旋流方向,黏貼在WSA主筒體內壁上。雖然此時射流霧化程度已達最大,但由于其緊貼WSA內壁,反而使得氣-液兩相作用區域在整個空間變小,氣液相界面接觸面積反而可能減小。

圖3.2 WSA低流速下射流流型變化(uL=2.65m·s-1

當液相射流流速較高時(uL=8.84m·s-1),射流隨著進口空氣流速的增大,其流型發生如圖3.3所示的變化。在高射流流速下,射流隨進口氣速增大,在環隙區域空間中僅表現出3種流態,即穩態射流、破碎旋線射流和霧化旋線射流;此時,射流柱動能增大,射流柱前端與旋流氣體劇烈作用后,逐漸會出現膨脹、擴大以及破裂,并在環隙空間內發生霧化。當進口氣速ug達到實驗最大值26.67m·s-1時,射流柱完全霧化,但不發生低射流速度下那種貼壁霧化的現象。

圖3.3 WSA高流速下射流流型變化(uL=8.84m·s-1

噴孔直徑和中心排氣管直徑等WSA結構參數,對射流流型有重要影響。當進口氣速和射流流速相同時,噴孔直徑的增大,會導致射流轉折面出現的距離增長,即射流平均動能增大,那么使射流破碎、霧化的相應氣速增高,對應流型轉化分界線的位置將平移升高。中心排氣管直徑的增大,一方面會導致旋流空氣在環隙內的切向和軸向速度增大,可能對射流產生更強的破碎、霧化作用;但另一方面由于環隙變窄,會使射流平均動能增加,這種強強作用的結果,可能對流型區域劃分影響不是太大,需要進一步的深入研究證實。

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