超音速气流粉碎机喷嘴的模拟与实验研究

　　（华东理工大学机械与动力工程学院）气流粉碎技术方法具有强度大、颗粒规整、表面光滑、成品粒度分布窄、污染少、纯度高、可粉碎低熔点和热敏性物料的优点，是进行超微超细粉碎的一种有效办法。在气流粉碎中*重要的是要使气流达到相当大的速度，这样才能使物料获得足够的能量，而使气流达到所要求的超音速的关键部件――超音速喷嘴的设计就显得尤为重要。

　　超音速喷嘴设计的优劣决定了气流粉碎的整体性能。陈志敏、徐敏对气流粉碎机的超音速喷嘴的结构设计进行了分析研究、王海涛针对超音速喷嘴的特点，提出了三元轴对称超音速喷嘴的设计方法。葛晓陵、金振中对以热压缩空气为工作介质的气流粉碎机加料器喷嘴的设计方法作了详细的研究，ChikaoKanaoka、arunChutmanop和Mas-ayukiKitada对超音速气流粉碎进行了试验研究。

　　笔者在前人研究的基础上，通过Matlab软王子钢，男，丨982年丨丨月生，硕士研究生：，上海市，200237超音速喷嘴的设计在，喷嘴人口与直流管相连，用于稳定气体射流，其中直流管的直径为6mm.在本文中，喷嘴与稳流管之间的距离简称为管距，稳流管与靶板的距离简称为靶距。

　　根据中提到的超音速喷嘴的计算公式，鉴于喷嘴人口直径对于喷嘴设计中灵活性和数值可选性都比较大的特点，分别假定喷嘴入口直径为6mm、5mm、4mm、3mm，设计不同工况压力下的*优喷嘴。在这里由于每一个喷嘴设计过程中计算量比较大，于是采用Matlab数值计算软件对计算过程进行编程，以使计算更方便、合理、准确。

　　在计算的结果中，每个特定的人口直径以及特定的人口压力对应着一个特定的*优化喷嘴的尺寸值，通过比较各个喷嘴的出口速度来判断所设计喷嘴的好坏。笔者认为，出口速度越大，气流越稳定，喷嘴越好，这样可以使喷嘴在气流粉碎过程中―d=6nin出口速度-d=5nm出口速度出口速度与压力的变化曲线由可以看出，出口速度随压力的增加而增大，并且压力越大，出口速度的增加越缓慢。对于相同的压力条件，人口直径越小，出口速度越大。

　　由可以看出，入口直径越大，出口速度越小，但是压力越小，出口速度的减小越缓慢。而在。由于喷嘴的模拟问题属于可压缩流体的范畴，所以采用耦合式显式求解器进行求解。湍流模型选用标准的k-e模型，采用simple算法求解。流体入口采用压力入口边界，给定滞止压力、滞止温度以及适当的湍流喷嘴轴线处各点的位置/mm冬18三个喷嘴轴纟务」'.的速度分布由可以看出，喷嘴3轴线速度不稳定，喷嘴1和喷嘴2的速度较为平稳，并且喷嘴1的速度要大于喷嘴2的速度。从所示的喷嘴出口截面上的速度分布来看，喷嘴3的出口速度衰减得*快，其次是喷嘴2，喷嘴1的出口速度衰减缓慢，：——S-U/老余制/埤-5曰/老次喷嘴丨I！口截l处各点的位置/mm三个喷嘴出口截面h的速度分布鉴于此，选取喷嘴1，即入口压力；入口直径4=6mm的喷嘴作为。

　　表2不同顶锥角所对应的不同的扩张段长度顶锥角/出口速度s喷嘴轴线处各点的位S/mm0不同顶锥角的喷嘴轴线上速度分布曲线由0和1可以看出，顶锥角的变化对喷嘴出口速度的影响不大，在来流条件和计算条件相同的情况下，五个角度所对应的喷嘴的轴线速度分布与出口截面速度分布几乎相同，即顶锥角不影响喷嘴性能的主要因素，所以我们在这里可取顶锥角为丨喷嘴出口截Ifi处各点的位置/mm图不同顶锥角的喷嘴出口截面的速度分布3因素水平因素试验号A（人口压力/MPa）通过表3看出，这是一个五水平三因素的问题，因不考虑交互作用，其*少需超过的试验次数=（5-l）x3+l=ll，全面试验为53=丨25次。由于5n因子正交表*少的是L25（56），所以只能选此表，它既能安排下3个试验因素，试验号又*小。用L25表做25次试验即可。

　　2粉碎粒度与人口压力的关系曲线由2可以看出，在靶距和管距一定时，人口压力为3.8MPa时颗粒粉碎后的粒度*小，可以使颗粒的平均粒径达到16.92pm，其粉碎后的粒度与入口压力为36MPa和4MPa时粉碎后的颗粒粒度相差不多。粉碎前后的颗粒图片如3所示。

　　前面所设计的喷嘴在入口压力为3 5MPa时，出口速度*大；而通过试验研究，则是当实际入口压力为3.8MPa时，粉碎效果*好。在这里主要是由于管路压力的损失造成的，实际入口压力为3.5MPa时，到达喷嘴处的压力有所下降，低于3.5MPa；而实际人口压力为38MPa时，到达喷嘴处的压力则接近3.5MPa，方能使喷嘴达到*大出口速度，从而获得*佳粉碎效果。由此也可以看出，喷嘴的模拟压力值与试验得到的*佳压力值是基本吻合的。

　　结论通过Matlab的数值计算及分析可以看出，超音速喷嘴的出口速度随压力的增加而增大，并且压力越大，出口速度的增加越缓慢。对于相同的压力条件，人口直径越小，出口速度越大；入口直径越大，出口速度越小。但是压力越小，出口速度的减小越缓慢。对于实验室用到的气流粉碎装置，在既要满足一定的供气时间，又要满足足够的出口速度的情况下，选用2.5MPa、3MPa和3.5MPa系列的喷嘴是比较合适的。

　　通过对三个压力工况下的*优喷嘴的模拟比较可以看出，入口压力为3.5MPa，入口直径为6mm的喷嘴性能更优。

　　人口压力及人口直径的喷嘴，在8°12°度之间，超音速喷嘴的出口速度受顶锥角影响不大，所以在设计中*终选定顶锥角为1°。即可以认为对于超音速喷嘴来说，在8°~12°之间，顶锥角不是影响喷嘴性能的主要因素。

　　通过用所设计的喷嘴对重质碳酸钙的粉碎实验的研究，证明了所设计的喷嘴的粉碎能力，同时得到了其粉碎重质碳酸钙的*佳工艺参数：即在人口压力为3.8MPa，靶距为25mm，管距为1mm的工艺条件下，可将平均粒径为300的重质碳酸钙粉碎至2（Vm以下。试验得到的*佳参数值与设计的压力参数值基本吻合。

　　（下转第7页）高速气流实验型分离器实验装置流程步4.4温度降与温度测量温度降采用温度计进行测量。气体温降为分离器人口与气体出口之间温差，而气体速度达音速倍数时开始分离的温度由温度计测出。

　　4.5总效率旋流分离器的效率一般有质量效率和修正效率（澄清效率）两种定义方式。参照旋流分离器的效率定义，高速气流实验型分离器由于底流泄气量为零，进、出口气量相等，故在数值上两种方式计算结果相同。其采用下式进行测定计算：收液箱所收集液体的质量，kg 5高速气流实验型分离器分离效率影响因素笔者预计雾滴浓度、雾滴直径及粒径分布是影响分离效率的主要因素。在实验中喷嘴雾化效果的好坏也将对分离效率产生很大的影响；实验介质也将对分离效率产生影响；分离板的结构也将对分离效率产生很大影响；还有外界环境及人为误差会对（上接第5页）