熔渣转盘离心粒化液膜流动特性与相界面破碎、断裂行为的研究

The spinning disk centrifugal granulation is the key technology for the high efficient waste heat recovery of molten slag. Fundamental research on mechanism of spinning disk centrifugal granulation and evolution characteristics of slag-air interface is conducted. The specific content includes:.The effects of granulating parameters，molten slag properties and surface topology of spinning disk on fim flow behaviors will be studied through the basic test and theory analysis combined with numerical simulation; the liquid film thickness distribution, radial velocity and tangential velocity slip can be predicted accuracy. The slag critical volume flow rate for the fully-developed ligament disintegration mode is obtained. Subsequently，the formation, development and evolution of slag-air interface in ligament mode disintegration process under coupling of vertical disturbance, viscous force and surface tension will be revealed. The correlation between ligament parameters and slag droplet size distribution will be built. On this basis, the theoretical model for slag droplet size prediction will be established. The results in this project will provide the theoretical reference for the high efficient waste heat recovery of molten slag and enrich technology theory for industrial energy-saving areas.

转盘离心粒化技术是高温熔渣高效余热回收利用的关键技术。项目对熔渣转盘离心粒化机理和两相界面演变特性进行基础科学研究。具体内容包括：通过基础试验、理论分析结合数值计算的方法，揭示粒化操作参数、熔渣物性和转盘拓扑结构对熔渣液膜流动行为的影响规律，实现液膜厚度分布、径向速度以及切向速度滑移的准确预测；获得熔渣液膜呈纤维状破碎时的临界体积流量，探明液膜在空气垂直扰动、粘性力以及表面张力的耦合作用下破碎与断裂时相界面的形成、发展与演变过程，在此基础上，建立转盘离心粒化熔渣粒度的预测模型。项目研究为实现高温熔渣的高效余热回收提供可借鉴的理论与应用基础。

转盘离心粒化技术是高温熔渣高效余热回收利用的关键技术。本项目建立了能准确的表征水跃之后转盘区域液膜流动特性的理论模型，可以较为准确的预测熔渣液膜厚度、径向速度、切向速度滑移、流线以及水跃半径；由于科式力的存在，临近水跃区域的液膜厚度会有所升高；运动粘度对于液膜沿径向的厚度分布有显著影响；浇注高度仅对转盘中心区域的液膜流动特性有显著影响，不会波及转盘边缘区域。获得了四种转盘的无量纲临界转变特性公式，建立了临界转变特性区域图；凸缘盘从滴状破碎到纤维状破碎、纤维状破碎到完全纤维状破碎的临界体积流量比其余三种转盘略高；纤维状到膜状转变的临界体积流量范围，弧边盘区域最大，凸缘盘最小；膜状破碎到纤维状破碎或纤维状破碎到滴状破碎的转变过程可以通过降低流量和转速或者提高粘度来实现；直径或者表面张力对临界转变特性的影响与离心力和表面张力混合作用相关。建立了液膜呈纤维状破碎时液柱数量、液柱直径，界面波波长以及液滴粒径之间较为准确的经验关系式；对比四种不同结构的转盘：We数对液柱数量影响很大；流量对液柱直径影响较小，弧边盘的液柱直径低于其他转盘；四种转盘界面波断裂形式以短波为主，弧边盘的λ/dL值最小；液滴直径预测值与实验值吻合较好，弧边盘产生的平均粒径最低。冷态粒径实验：提出了四种转盘的平均粒径关联式；在本项目实验工况范围内，超过70%的颗粒粒径分布在0.2-1.0mm范围内；开槽盘、弧边盘和凸缘盘所产生的颗粒粒径范围要小于平盘的粒径范围；在高转速和小流量这两个条件下，转盘比较容易产生丝状物；平盘和弧盘的颗粒均匀性相比其他两种盘子均匀度较好。热态粒径实验：在94.2~251.3 rad/s转速范围内，粒化铝颗粒平均直径在1.3~3.5 mm之间，且集中度较好。在本项目的研究范围内，约50%的粒化铝颗粒均在1.0~2.36 mm之间，当浇注质量为1 kg时，颗粒集中度最佳；丝状物含量随着转速的上升总体呈上升趋势；当转速>157.1rad/s时，绝大多数颗粒均匀性较好。粒化进入准稳态后，液柱长度正比于韦伯数的0.447次方；λd/dL的比值随着OhL的上升而增加，但是界面波波长始终在液柱直径的2.2~3.1倍之间，呈短波断裂模式；在本项目的操作条件下，粘度由0.125 Pa.s增大至0.75 Pa.s时，渣粒D32在0.6~0.8mm之间。