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《燕山大学》 2018年
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气液双流体喷嘴多场耦合雾化特性及参数优化研究

陈波  
【摘要】:随着我国社会经济的高速增长以及城市化、工业化的快速推进,庞大的资源需求和能源消耗给社会发展增添了沉重的环保负担。大量大气颗粒物(PM_(2.5)、PM_(10)、TSP等)的生成与扩散不仅给城市居民增添了诸多的健康和安全风险,而且还造成了从业人员的尘肺病永久伤害,更导致了相关行业因污染超标而限期整改甚至停产关闭,对我国可持续发展战略和生态文明建设构成了严重威胁。相关研究和应用表明,通过气液双流体雾化技术产生超细水雾,能有效地提高细颗粒物湿法去除过程中吸附、粘合、沉降的效率,对提升大气颗粒物的排放控制效果具有重大影响,表现出了巨大的应用潜力和价值。因此,为了提高气液双流体雾化技术、提升颗粒物湿法去除的效果、降低雾化设备研发成本和周期,本文以大气颗粒物防治装备的核心部件—气液双流体雾化喷嘴为研究对象,对喷嘴多场耦合雾化特性及参数优化开展研究,深入开展流—固—声多场耦合雾化数值模拟及多参数多目标优化研究,深刻揭示运行参数和结构参数对其雾化特性的影响规律,为其产品研发和应用奠定理论基础。首先,本文运用流体力学及喷雾学的理论和方法,分析了雾化原理、液滴破碎以及液滴表面波破碎机理,剖析了气液双流体喷嘴雾化的实质和过程。同时,基于计算流体动力学、结构动力学以及气动声学的理论,综合运用双向流固耦合、离散相模型以及计算气动声学的方法,构建了气液双流体喷嘴流—固—声多场耦合模型,确定了多场耦合雾化数值模拟方法;开展了多场耦合下气液双流体喷嘴流场特性及声场特性的数值模拟,揭示了不同运行参数和结构参数对喷嘴内部和外部流场的动压、速度分布以及速度矢量的影响规律。另外,分析了喷嘴外部空间轴向和径向方向上声压级随运行参数和结构参数变化的规律,以全面认识气液双流体雾化喷嘴的综合雾化行为。其次,基于相位多普勒粒子分析仪搭建了雾化测试系统,确定了气液双流体雾化试验条件及方法,为后续喷嘴雾化特性的试验研究奠定基础。运用相位多普勒粒子测试技术,开展了不同运行参数下的雾化有效射程和雾化锥角以及不同运行参数、不同空间测点上的雾滴粒径、速度以及个数的空间分布的试验研究,揭示了气液双流体喷嘴不同的气体流量和水流量对雾化特性的影响规律。再次,开展了振荡腔结构参数对气液双流体喷嘴雾化特性影响的试验研究,分析了气液双流体喷嘴雾化流场空间中的雾滴特性,揭示了振荡腔结构以及不同结构参数对气液双流体喷嘴流场空间中雾滴的平均直径、平均速度、脉动速度以及湍流度的影响规律。最后,基于正交试验矩阵分析法、BP神经网络算法以及遗传算法,提出了一种多参数多目标优化方法,确定了气体流量、水流量、振荡腔孔径、孔深、振荡腔与喷嘴出口间的距离以及喷嘴出口直径为优化参数,选取了雾滴粒径、雾化有效射程以及声压级作为多目标特性指标。同时,开展了气液双流体喷嘴多参数多目标优化研究,探寻了喷嘴多目标下的主要影响因素及各因素影响的主次顺序,获得了全局范围内的参数最优解和最优目标值。本文研究不仅可以为气液双流体喷嘴雾化性能评价及优化设计奠定理论基础,而且可以为气液双流体雾化喷嘴的研发和应用提供理论借鉴和数据支持。研究成果将有助于改善气液双流体喷嘴的雾化性能、提升大气颗粒物的控制效果,对促进我国环保行业的科技进步、推动我国大气污染防治和工业清洁生产的进展,具有十分重要的理论指导意义和工程实际意义。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X513

【参考文献】
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