从流体交互性视角研究雾化喷嘴的通过性特征

张国俊，郭建珠

（1.内蒙古利民煤焦有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016100；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

1 雾化喷嘴研究现状

雾化喷嘴是任一流体应用工程过程较为普遍的关键结构部件，业界从物理结构、通过性、化学反应等多个角度对这一现象的作用机理进行了研究，取得了一定进展。笔者认为这些分析基本基于牛顿流体范围，或者是牛顿流体即将转化为非牛顿流体状态时刻，传统观念使得大家产生了这一习惯性认识：湍流是各种系统应该回避或者剔除的现象，因此由湍流导致的喷嘴失效现象的把握显得有些多余，这一根深蒂固的思想是导致这一领域业界研究几乎空白的直接原因，历史上由经典力学和纯数学知识体系出发研究的理论力学与流体应用脱节严重，不能解释许多流体现象的症结其本质就是忽视湍流的影响所在。湍流作为流体的基本形式，而层流和类层流实质是湍流的特殊形式，而且这一观点正在业界形成共识。普朗特边界层效应理论的提出，使得理论力学与流体应用得到完美一致不仅促进了水力学的进步，更重要的是让边界层导致的非线性是流体运行过程中不可或缺的重要形式成为人们的共识，也揭示了交互性这一基本特征是解释许多流体现象的基础，卡门涡街理论、柯氏小尺度湍涡结构函数2/3 定律等等大大丰富了流体的交互性特征，同时促进了湍流的研究和认识，这些交互性不仅与流体的黏性相关也与塑性等物理量密切相关，把这一混合物性指标定义为塑性因子，很明显塑性因子作用的主要形式为能量的不同步输送或转化，塑性因子作用塑性因子作用于流体各状态转化过程中，通俗讲存在内能、势能、动能变化，严格讲遵循吉布斯自由能公式。多尺度、非均匀、具备能量叠加储存特性是交互性非对称特征之一，但是因为射流应用领域的要求重点在形成射流后放在融合性上，而且这一过程不仅复杂而且短暂因此大家在研究过程中将这一特征主动弱化，仅认为是一不确定的过渡过程，整体遵循“瞬态+平均的分析”经典数理统计模型及代数化方程，其实质是这一问题在业界一直没有予以重视和解决。本文拟以交互性为切入点研究雾化喷嘴的通过性特征，对这一问题开展初步研究和探讨，以引起业界的关注及共鸣。

2 流体在雾化喷嘴中的交互性实验

首先搭建了基于压力0.35～0.6 MPa 压缩空气为主动力，辅助以压力0.3～0.5 MPa 压力水及气水雾化为特征的ZPC-bz 型工业喷嘴作业系统。基于Pt100热电阻温度计量系统开展对流体温度进行动态测量，其分辨率为0.01°，精度为0.05°；图像采集系统为Canon-ixus 130；流体压力及流量测试系统为分辨率0.1%的压力变送器；流量计量装置为涡轮传感器为核心。

基础流体1（压缩空气）是普通的工业气体，其压力0.6 MPa；通过ZPC-bz 型雾化喷嘴如图1 所示为基础流体1 交互性流动特征实验。

图1 基础流体1 交互性流动特征实验

图2 基础流体2 空间流动特征实验

基础流体3 由基础流体1 和基础流体2 组合生成新的人造流体——气雾湍涡流体；基础流体1（压缩空气）是普通的工业气，其压力0.6 MPa，基础流体2（压力水）是普通的工业用水，其压力0.3 MPa，基础流体1 与基础流体2 体积比为100∶1.69；其工作特征是可塑性好，流动性较强，贯穿喷射角15°～36°，贯穿距离1.5～5.5 m 气雾湍涡流体通过ZPC-bz 型雾化喷嘴，如图3 所示为基础流体3 交互性流动特征实验。

图3 基础流体3 空间流动特征实验

三种基础流体究其黏性参数而言，区别不大，可近似认为等同，尤其是基础流体1 与基础流体3 基本可以认为等同，但是交互结果产生的流动性图像三者区别很大；雾化喷嘴中流体工作状态分析如下：

首先，基于理想状态或者亚理想状态流体分析，可以依据流体连续性能量守恒定律得出：

式中：p 为腔体中某一断面的压力；V 为该断面一定流速时对应的体积量；T 为流体温度；没有压缩过程的流体，摩擦力忽略时，可认为是绝热过程，T 的值到达下一断面时，可保持不变，这一条件满足时，C 为常数；当两界面积直径比为20∶2、最小截面面积为3.14×1×1 mm2时，流量为1×104mm3/s，流体通过最小截面时的速度值为1×104/3.14×1×1=3184 mm/s；类层流流体喷嘴中流体质点瞬间最大速度为超音速流动的理论依据；这一动能瞬时能量是巨大的，该能量不仅能雾化流体，而且也能完成一些远超于边界层效应的工作。

其次，如果把流体喷嘴雾化过程作为一个动力系统考虑，设有一个系统S，它在时刻t 的状态可以由x（t）表示，则它在时刻t+Δt 的状态：

式（2）中T 为算子，其特征是非线性的、非连续的、非均匀的，这一过程不仅实现了能量输运，而且实现了能量的转化，而且是基于流体塑性变形实现的，因此该算子T 复杂性远胜于卡门涡街理论、柯氏小尺度湍涡结构函数2/3 定律，更不是边界层混合长度理论可以简单近似模拟实现，这一塑性变形是由多尺度能量系统决定的，因此该流体的物性应由多因素决定，毋庸置疑这一塑性变化是其主要因素之一。很明显这一塑性因子肯定与黏性有关，也与结构有关，但是其应与能量转化和传递直接相关，用它来表征这与流体物性密切相关的交互性特征。

3 流体在时刻t 到下一时刻t+Δt 变化过程中能量的变化

流体的交互性特征，决定了由时刻t 到下一时刻t+Δt 变化的过程，其中Δt 可以取任意值，也可以取固定值，这一过程能量变化是剧烈的、非线性的、非对称性的、多尺度的、非均匀性的，但是遵循普朗特流体流动诱导阻力最小原理，能量的变化满足吉布斯自由能公式。

吉布斯自由能又叫吉布斯函数（英Gibbs free energy，Gibbs energy or Gibbs function；also known as free enthalpy），是热力学中一个重要的参量，常用G 表示，它的定义是：

(1)白垩纪晚世周田组(K2z)。勘查区广泛出露周田组，岩性主要由紫红色含钙页岩、粉砂质页岩夹砂岩、砂砾岩组成韵律性基本层序。岩层上部为紫红色砂岩，风化强烈，强风化厚度5～10 m，地层倾向260°～290°，倾角20°～55°。底部为紫红色巨厚层状砂砾岩，砂砾岩砾石成分为石英、石英砂岩、石英砾岩等，砾径1～20 cm。未见顶底，厚大于200.55 m。

式中：U 为系统的内能；T 为温度（绝对温度，K）；S 为熵；p 为压强；V 为体积；H 为焓。因为H、T、S 均为状态函数，所以G 也为状态函数。

时刻t 到下一时刻t+Δt 变化过程中能量的变化ΔG 公式为：

实测：基础流体1 交互性流动特征实验流体温度变化明显T=7.1～10.0℃；基础流体3—气雾湍涡流体空间流动特征实验流体温度没有变化T=0～0.1℃；基础流体2 空间流动特征实验T=0.3～1.5℃；这样就很好理解流体通过ZPC-bz 型雾化喷嘴的通过性：由式（4）知，基础流体3＞基础流体2＞基础流体1。

对应的流体物性指标通过ZPC-bz 型雾化喷嘴交互性：由图1、图2、图3 知：基础流体3＞基础流体2＞基础流体1。

4 研究流体交互性物理意义

交互性不仅体现了流体能量传递和能量转化这一过程，而且还体现了这一转化过程中一系列地力学过程，在这些力的作用下可能导致一些极端力学现象，很明显流体交互性是研究这些极端现象的基础。交互性由流体塑性因子决定的，气水雾化就是通过气将能量传递给水使水雾化，实现了如图4 所示的价和电子运动的线路与相态结构变化。图4 中，外椭圆表示橄榄状球体，阴影表示价和电子在空间扭转运动的区域。

图4 价和电子运动图与物质的相态

气水雾化过程中，由于气体将能量传递给水，水实现气化不稳定度增强，气体温度降低时体内结构元间价磁力相对稳定、结构元间聚合力增大（链长团大），宏观的表现就是黏度增大、表面张力增大。将气水雾化流体的塑性因子（Pg）调节在一个合适值时，实验显示，不发生压力气吹散粉尘现象，生成了组织性很好的拟序结构易与微米级粉尘融合，物体的“刚性降低、塑性增加”成为气水雾化人造湍流的领先指标，气水雾化人造湍流的第一性征：流态塑性发生了变化。

根据气、水压力比及涡旋生成装置结构特征计算推导其流动特性：

以一个小的球形粒子为例，当它正好位于一个匀速u（SI 单位：m/s）流动的流体中时，遵循牛顿第二运动定律。

式中：mp为粒子的质量，kg；q 为粒子的位置矢量，m；Ft为作用在粒子上的净力或总力，N。

对于一个在流体中下沉的粒子，总力是重力Fx和曳力FD的总和：

式中：ρp为粒子的密度，kg/m3；ρ 为周围流体的密度，kg/m3；g 为重力引起的加速度（海平面以下约为9.8m/s2）；μ 为流体的动力黏度，Pa·s；dp为粒径，m；u 为周围流体的速度，m/s；v 为粒子的速度，v=dq/dt，m/s。

小的球形粒子动能公式为：

气水雾化涡旋流体的本构关系及基本特征，水气涡旋流体有一定的贯穿距离和覆盖空间呈射流态，决定其本构关系成立，即应力张量和变形张量存在一定对应关系，这是流体的动力与流态基本特征，这一表征公式具有复杂、非线性、非均匀的特点，其复杂性体现在塑性因子这一物性指标上，能量转化和传递是有规律的，与粒子的质量及粒子的位置矢量q 密切相关。其实对任一断面而言，塑性因子这一物性指标上决定的粒子质量及粒子位置矢量q 与扰动关系更加密切和复杂而已，但是其运动与塑性因子这一物性指标密切相关，由塑性因子这一物性指标决定的交互性所决定的；因此流体的通过性必须考虑流体的交互性，是建立在流体的交互性物性指标之上的，研究流体交互性物理意义就在于揭示了流体的通过性由流体交互性所制约和决定这一物理现象。

5 结论

1）虽然黏性指标重要但是对于湍流流体而言，多尺度、多因素决定的塑性因子更重要。

2）交互性决定了流体的通过性，黏性系数只能在层流和类层流中决定流体的通过性。

3）交互性反映了流体能量的传递和转化这一复杂过程，因此这一指标是重要的，不能忽略的。

4）交互性参数可以用来解释和描述一些复杂的流体现象。

5）揭示了流体的通过性由流体交互性所制约和决定这一物理现象。