水平管降膜蒸发器离心布液喷嘴喷淋过程机理研究

Low temperature multi-effect desalination (MED) has become one of the mainstream development of desalination technology in China so far. Horizontal tube falling-film evaporators are key equipments of MED system and pressure-centrifugal nozzles are widely used in these evaporators, so seawater distribution of pressure-centrifugal nozzles directly influences the overall performance and operating efficiency of the whole MED system. This proposal project focuses on the spray process of pressure-centrifugal nozzles in horizontal tube falling-film evaporators. Studies mainly aimed at the dynamic characteristics of gas-liquid two-phase flow and the mechanism of fluid continuous phase transition to discrete phase in the nozzle configurable structure of pressure-centrifugal spray nozzle. Through PIV, visible and measurable experimental study on the fluid fragmentation in pressure-centrifugual nozzle will be conducted firtly. The effect of configurable channel structure and flow parameter on the fluid flow field in pressure-centrifugal nozzle and the characteristics of spraying will be presented. Then the physical and mathematical model will be proposed and the model will be developed and verified on the basis of experimental data. The 3-D numerical study on the internal and external fluid flow field of pressure-centrifugal nozzle will be conducted based on the new proposed model.The theoretical discription of the influence of configurable channnel structure on the spray characteristics and the dynamical parameters will be given. Also the theoretical relationship between nozzle geometrical structure and the fluid flow parameters in internal and external flow field will be constituted. The mechanism of spraying in pressure-centrifugal nozzle will be revealed through these studys and based on the results,theoretical foundation for further engeneering applicaton of spray pressure-centrifugal nozzles will be developed.

低温多效蒸发目前已成为我国海水淡化技术的主流发展方向之一，水平管降膜蒸发器作为低温多效蒸发海水淡化装置的核心设备，其水平管布液效果直接影响设备整体的使用性能和整套装置的运行效率。本项目主要针对水平管降膜蒸发器广泛采用的离心布液喷嘴的喷淋过程进行研究，重点研究离心布液喷嘴结构流道中气液两相流动动力学特性和结构流道对连续相流体离散破碎及喷淋的作用机制。通过PIV测试可视化离心布液喷嘴结构流道内部介质流动过程和气液两相流场及外部喷淋过程，获得结构流道几何结构及流动参数对流场特性及喷淋特性的影响规律，在实验研究的基础上，开展三维数值模拟和理论分析，研究结构流道对流体流动、离散破碎及喷淋的作用机制，建立结构流道几何结构、流动参数、流场特性和喷淋特性之间的理论关系，并最终实现对离心布液喷嘴喷淋过程机理的理论认识，为优化设计离心布液喷嘴和改善布液喷淋质量提供基础的理论支持

本项目主要针对水平管降膜蒸发器广泛采用的离心布液喷嘴喷淋过程机理进行研究，重点研究离心布液喷嘴结构流道中气液两相流动动力学特性和结构流道对连续相流体离散破碎及喷淋特性的作用机制，主要开展了如下工作：. 首先，对离心喷嘴内部流动进行了可视化实验。根据流体在旋流室填充程度和空气流场区域规则程度的不同，对流体填充喷嘴过程的流动状态进行了四种流态划分，并分析了形成机理；对液膜破碎过程进行了观测，根据液膜形态的不同，把低入口压力下喷嘴液膜破碎过程分为伞状液膜、破碎孔、液膜撕裂三个阶段，明确了三个阶段的转换过程。. 其次，进行了不同结构离心喷嘴性能以及喷淋锥角和喷淋密度等喷淋特性的实验研究。喷嘴入口流量和喷淋锥角均随着入口压力增大而增加，其中入口流量呈现非线性增加，而喷淋锥角先增大后不变，即当喷嘴入口压力大于某一临界值后达到稳定状态，其角度不再发生变化，与喷嘴出口扩张角一致。在不同的入口压力下，喷嘴喷淋区域均具有较好的对称性，喷淋区域直径则先增大后不变，与喷淋锥角的变化规律一致。另外，明确了不同压力和喷淋高度下，喷嘴喷淋区域的变化趋势。. 然后，进行了离心喷嘴的内部填充和稳定流动过程的数值模拟，明确了内部填充过程的流动形态，并对不同结构的喷嘴稳定流动的流场特性进行了分析对比，由于喷嘴的单侧入口使得顶部无特殊结构的喷嘴内部流场及气液分布呈现严重的不对称性，可以通过在顶部加入导流结构来缓解，导流结构对整个喷嘴内部流场的动能和液相流场没有显著的影响，但会加强内部流场的扰动，气相湍流情况加剧，空气芯扭曲现象加剧，从而改善喷嘴流场和空气芯位置的不对称性，扭曲程度越大的喷嘴，更利于气液两相的掺混，流出液相的对称性越好，喷嘴工作的稳定性和可靠度越强。. 最后，分析了顶部圆台结构离心喷嘴旋流室高度、入口直径、圆台直径、圆台高度、出口扩散角、出口直径、出口直管段长度等几何结构参数对于喷淋特性和喷淋密度的影响规律。