張國俊，郭建珠

（1.內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

1 霧化噴嘴研究現(xiàn)狀

霧化噴嘴是任一流體應(yīng)用工程過程較為普遍的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，業(yè)界從物理結(jié)構(gòu)、通過性、化學(xué)反應(yīng)等多個(gè)角度對這一現(xiàn)象的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了一定進(jìn)展。筆者認(rèn)為這些分析基本基于牛頓流體范圍，或者是牛頓流體即將轉(zhuǎn)化為非牛頓流體狀態(tài)時(shí)刻，傳統(tǒng)觀念使得大家產(chǎn)生了這一習(xí)慣性認(rèn)識(shí)：湍流是各種系統(tǒng)應(yīng)該回避或者剔除的現(xiàn)象，因此由湍流導(dǎo)致的噴嘴失效現(xiàn)象的把握顯得有些多余，這一根深蒂固的思想是導(dǎo)致這一領(lǐng)域業(yè)界研究幾乎空白的直接原因，歷史上由經(jīng)典力學(xué)和純數(shù)學(xué)知識(shí)體系出發(fā)研究的理論力學(xué)與流體應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，不能解釋許多流體現(xiàn)象的癥結(jié)其本質(zhì)就是忽視湍流的影響所在。湍流作為流體的基本形式，而層流和類層流實(shí)質(zhì)是湍流的特殊形式，而且這一觀點(diǎn)正在業(yè)界形成共識(shí)。普朗特邊界層效應(yīng)理論的提出，使得理論力學(xué)與流體應(yīng)用得到完美一致不僅促進(jìn)了水力學(xué)的進(jìn)步，更重要的是讓邊界層導(dǎo)致的非線性是流體運(yùn)行過程中不可或缺的重要形式成為人們的共識(shí)，也揭示了交互性這一基本特征是解釋許多流體現(xiàn)象的基礎(chǔ)，卡門渦街理論、柯氏小尺度湍渦結(jié)構(gòu)函數(shù)2/3 定律等等大大豐富了流體的交互性特征，同時(shí)促進(jìn)了湍流的研究和認(rèn)識(shí)，這些交互性不僅與流體的黏性相關(guān)也與塑性等物理量密切相關(guān)，把這一混合物性指標(biāo)定義為塑性因子，很明顯塑性因子作用的主要形式為能量的不同步輸送或轉(zhuǎn)化，塑性因子作用塑性因子作用于流體各狀態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，通俗講存在內(nèi)能、勢能、動(dòng)能變化，嚴(yán)格講遵循吉布斯自由能公式。多尺度、非均勻、具備能量疊加儲(chǔ)存特性是交互性非對稱特征之一，但是因?yàn)樯淞鲬?yīng)用領(lǐng)域的要求重點(diǎn)在形成射流后放在融合性上，而且這一過程不僅復(fù)雜而且短暫因此大家在研究過程中將這一特征主動(dòng)弱化，僅認(rèn)為是一不確定的過渡過程，整體遵循“瞬態(tài)+平均的分析”經(jīng)典數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型及代數(shù)化方程，其實(shí)質(zhì)是這一問題在業(yè)界一直沒有予以重視和解決。本文擬以交互性為切入點(diǎn)研究霧化噴嘴的通過性特征，對這一問題開展初步研究和探討，以引起業(yè)界的關(guān)注及共鳴。

2 流體在霧化噴嘴中的交互性實(shí)驗(yàn)

首先搭建了基于壓力0.35～0.6 MPa 壓縮空氣為主動(dòng)力，輔助以壓力0.3～0.5 MPa 壓力水及氣水霧化為特征的ZPC-bz 型工業(yè)噴嘴作業(yè)系統(tǒng)?；赑t100熱電阻溫度計(jì)量系統(tǒng)開展對流體溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，其分辨率為0.01°，精度為0.05°；圖像采集系統(tǒng)為Canon-ixus 130；流體壓力及流量測試系統(tǒng)為分辨率0.1%的壓力變送器；流量計(jì)量裝置為渦輪傳感器為核心。

基礎(chǔ)流體1（壓縮空氣）是普通的工業(yè)氣體，其壓力0.6 MPa；通過ZPC-bz 型霧化噴嘴如圖1 所示為基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)。

圖1 基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

圖2 基礎(chǔ)流體2 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)流體3 由基礎(chǔ)流體1 和基礎(chǔ)流體2 組合生成新的人造流體——?dú)忪F湍渦流體；基礎(chǔ)流體1（壓縮空氣）是普通的工業(yè)氣，其壓力0.6 MPa，基礎(chǔ)流體2（壓力水）是普通的工業(yè)用水，其壓力0.3 MPa，基礎(chǔ)流體1 與基礎(chǔ)流體2 體積比為100∶1.69；其工作特征是可塑性好，流動(dòng)性較強(qiáng)，貫穿噴射角15°～36°，貫穿距離1.5～5.5 m 氣霧湍渦流體通過ZPC-bz 型霧化噴嘴，如圖3 所示為基礎(chǔ)流體3 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)。

圖3 基礎(chǔ)流體3 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)

三種基礎(chǔ)流體究其黏性參數(shù)而言，區(qū)別不大，可近似認(rèn)為等同，尤其是基礎(chǔ)流體1 與基礎(chǔ)流體3 基本可以認(rèn)為等同，但是交互結(jié)果產(chǎn)生的流動(dòng)性圖像三者區(qū)別很大；霧化噴嘴中流體工作狀態(tài)分析如下：

首先，基于理想狀態(tài)或者亞理想狀態(tài)流體分析，可以依據(jù)流體連續(xù)性能量守恒定律得出：

式中：p 為腔體中某一斷面的壓力；V 為該斷面一定流速時(shí)對應(yīng)的體積量；T 為流體溫度；沒有壓縮過程的流體，摩擦力忽略時(shí)，可認(rèn)為是絕熱過程，T 的值到達(dá)下一斷面時(shí)，可保持不變，這一條件滿足時(shí)，C 為常數(shù)；當(dāng)兩界面積直徑比為20∶2、最小截面面積為3.14×1×1 mm2時(shí)，流量為1×104mm3/s，流體通過最小截面時(shí)的速度值為1×104/3.14×1×1=3184 mm/s；類層流流體噴嘴中流體質(zhì)點(diǎn)瞬間最大速度為超音速流動(dòng)的理論依據(jù)；這一動(dòng)能瞬時(shí)能量是巨大的，該能量不僅能霧化流體，而且也能完成一些遠(yuǎn)超于邊界層效應(yīng)的工作。

其次，如果把流體噴嘴霧化過程作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)考慮，設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)S，它在時(shí)刻t 的狀態(tài)可以由x（t）表示，則它在時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)：

式（2）中T 為算子，其特征是非線性的、非連續(xù)的、非均勻的，這一過程不僅實(shí)現(xiàn)了能量輸運(yùn)，而且實(shí)現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化，而且是基于流體塑性變形實(shí)現(xiàn)的，因此該算子T 復(fù)雜性遠(yuǎn)勝于卡門渦街理論、柯氏小尺度湍渦結(jié)構(gòu)函數(shù)2/3 定律，更不是邊界層混合長度理論可以簡單近似模擬實(shí)現(xiàn)，這一塑性變形是由多尺度能量系統(tǒng)決定的，因此該流體的物性應(yīng)由多因素決定，毋庸置疑這一塑性變化是其主要因素之一。很明顯這一塑性因子肯定與黏性有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)有關(guān)，但是其應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化和傳遞直接相關(guān)，用它來表征這與流體物性密切相關(guān)的交互性特征。

3 流體在時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化過程中能量的變化

流體的交互性特征，決定了由時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化的過程，其中Δt 可以取任意值，也可以取固定值，這一過程能量變化是劇烈的、非線性的、非對稱性的、多尺度的、非均勻性的，但是遵循普朗特流體流動(dòng)誘導(dǎo)阻力最小原理，能量的變化滿足吉布斯自由能公式。

吉布斯自由能又叫吉布斯函數(shù)（英Gibbs free energy，Gibbs energy or Gibbs function；also known as free enthalpy），是熱力學(xué)中一個(gè)重要的參量，常用G 表示，它的定義是：

(1)白堊紀(jì)晚世周田組(K2z)。勘查區(qū)廣泛出露周田組，巖性主要由紫紅色含鈣頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾砂巖、砂礫巖組成韻律性基本層序。巖層上部為紫紅色砂巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)風(fēng)化厚度5～10 m，地層傾向260°～290°，傾角20°～55°。底部為紫紅色巨厚層狀砂礫巖，砂礫巖礫石成分為石英、石英砂巖、石英礫巖等，礫徑1～20 cm。未見頂?shù)祝翊笥?00.55 m。

式中：U 為系統(tǒng)的內(nèi)能；T 為溫度（絕對溫度，K）；S 為熵；p 為壓強(qiáng)；V 為體積；H 為焓。因?yàn)镠、T、S 均為狀態(tài)函數(shù)，所以G 也為狀態(tài)函數(shù)。

時(shí)刻t 到下一時(shí)刻t+Δt 變化過程中能量的變化ΔG 公式為：

實(shí)測：基礎(chǔ)流體1 交互性流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)流體溫度變化明顯T=7.1～10.0℃；基礎(chǔ)流體3—?dú)忪F湍渦流體空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)流體溫度沒有變化T=0～0.1℃；基礎(chǔ)流體2 空間流動(dòng)特征實(shí)驗(yàn)T=0.3～1.5℃；這樣就很好理解流體通過ZPC-bz 型霧化噴嘴的通過性：由式（4）知，基礎(chǔ)流體3＞基礎(chǔ)流體2＞基礎(chǔ)流體1。

對應(yīng)的流體物性指標(biāo)通過ZPC-bz 型霧化噴嘴交互性：由圖1、圖2、圖3 知：基礎(chǔ)流體3＞基礎(chǔ)流體2＞基礎(chǔ)流體1。

4 研究流體交互性物理意義

交互性不僅體現(xiàn)了流體能量傳遞和能量轉(zhuǎn)化這一過程，而且還體現(xiàn)了這一轉(zhuǎn)化過程中一系列地力學(xué)過程，在這些力的作用下可能導(dǎo)致一些極端力學(xué)現(xiàn)象，很明顯流體交互性是研究這些極端現(xiàn)象的基礎(chǔ)。交互性由流體塑性因子決定的，氣水霧化就是通過氣將能量傳遞給水使水霧化，實(shí)現(xiàn)了如圖4 所示的價(jià)和電子運(yùn)動(dòng)的線路與相態(tài)結(jié)構(gòu)變化。圖4 中，外橢圓表示橄欖狀球體，陰影表示價(jià)和電子在空間扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。

圖4 價(jià)和電子運(yùn)動(dòng)圖與物質(zhì)的相態(tài)

氣水霧化過程中，由于氣體將能量傳遞給水，水實(shí)現(xiàn)氣化不穩(wěn)定度增強(qiáng)，氣體溫度降低時(shí)體內(nèi)結(jié)構(gòu)元間價(jià)磁力相對穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)元間聚合力增大（鏈長團(tuán)大），宏觀的表現(xiàn)就是黏度增大、表面張力增大。將氣水霧化流體的塑性因子（Pg）調(diào)節(jié)在一個(gè)合適值時(shí)，實(shí)驗(yàn)顯示，不發(fā)生壓力氣吹散粉塵現(xiàn)象，生成了組織性很好的擬序結(jié)構(gòu)易與微米級粉塵融合，物體的“剛性降低、塑性增加”成為氣水霧化人造湍流的領(lǐng)先指標(biāo)，氣水霧化人造湍流的第一性征：流態(tài)塑性發(fā)生了變化。

根據(jù)氣、水壓力比及渦旋生成裝置結(jié)構(gòu)特征計(jì)算推導(dǎo)其流動(dòng)特性：

以一個(gè)小的球形粒子為例，當(dāng)它正好位于一個(gè)勻速u（SI 單位：m/s）流動(dòng)的流體中時(shí)，遵循牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。

式中：mp為粒子的質(zhì)量，kg；q 為粒子的位置矢量，m；Ft為作用在粒子上的凈力或總力，N。

對于一個(gè)在流體中下沉的粒子，總力是重力Fx和曳力FD的總和：

式中：ρp為粒子的密度，kg/m3；ρ 為周圍流體的密度，kg/m3；g 為重力引起的加速度（海平面以下約為9.8m/s2）；μ 為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；dp為粒徑，m；u 為周圍流體的速度，m/s；v 為粒子的速度，v=dq/dt，m/s。

小的球形粒子動(dòng)能公式為：

氣水霧化渦旋流體的本構(gòu)關(guān)系及基本特征，水氣渦旋流體有一定的貫穿距離和覆蓋空間呈射流態(tài)，決定其本構(gòu)關(guān)系成立，即應(yīng)力張量和變形張量存在一定對應(yīng)關(guān)系，這是流體的動(dòng)力與流態(tài)基本特征，這一表征公式具有復(fù)雜、非線性、非均勻的特點(diǎn)，其復(fù)雜性體現(xiàn)在塑性因子這一物性指標(biāo)上，能量轉(zhuǎn)化和傳遞是有規(guī)律的，與粒子的質(zhì)量及粒子的位置矢量q 密切相關(guān)。其實(shí)對任一斷面而言，塑性因子這一物性指標(biāo)上決定的粒子質(zhì)量及粒子位置矢量q 與擾動(dòng)關(guān)系更加密切和復(fù)雜而已，但是其運(yùn)動(dòng)與塑性因子這一物性指標(biāo)密切相關(guān)，由塑性因子這一物性指標(biāo)決定的交互性所決定的；因此流體的通過性必須考慮流體的交互性，是建立在流體的交互性物性指標(biāo)之上的，研究流體交互性物理意義就在于揭示了流體的通過性由流體交互性所制約和決定這一物理現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1）雖然黏性指標(biāo)重要但是對于湍流流體而言，多尺度、多因素決定的塑性因子更重要。

2）交互性決定了流體的通過性，黏性系數(shù)只能在層流和類層流中決定流體的通過性。

3）交互性反映了流體能量的傳遞和轉(zhuǎn)化這一復(fù)雜過程，因此這一指標(biāo)是重要的，不能忽略的。

4）交互性參數(shù)可以用來解釋和描述一些復(fù)雜的流體現(xiàn)象。

5）揭示了流體的通過性由流體交互性所制約和決定這一物理現(xiàn)象。