气液两相雾化模拟

关键研究

研究背景

尿素溶液（AdBlue/DEF, 32.5% wt）经气助式喷嘴喷入高温烟气后，经历液滴雾化、蒸发、尿素热解三个连续过程。准确模拟这一气液两相过程是SCR CFD分析的核心难点。

物理过程

flowchart TD
    A[尿素溶液喷射] --> B[一次雾化]
    B --> B1[液膜破碎]
    B1 --> B2[液丝形成]
    B2 --> B3[液滴生成]
    
    B3 --> C[二次雾化]
    C --> C1[Weber数判断]
    C1 --> C2[液滴变形/破碎]
    
    C2 --> D[液滴蒸发]
    D --> D1[水分蒸发]
    D1 --> D2[尿素析出]
    
    D2 --> E[尿素热解]
    E --> E1[尿素→NH3+HNCO]
    E1 --> E2[吸热反应]

模型选择

一、液滴破碎模型

模型	适用条件	特点
TAB	低We数 (<100)	振动破碎，适合低相对速度
Wave	We > 100	气动破碎，适合高速喷射
KHRT	宽范围	结合KH波和RT不稳定性
SSD	随机二次液滴	统计方法

推荐: SCR系统中喷射相对速度适中，采用 Wave模型 或 TAB模型。

二、液滴曳力模型

$$C_D=\{\begin{array}{ll}\frac{24}{Re}(1+0.15R{e}^{0.687})& Re\le 1000\\ 0.44& Re>1000\end{array}$$

三、蒸发模型

对流/扩散控制蒸发

液滴质量变化率：

$$\frac{d{m}_p}{dt}=-\pi d_p{\rho }_g{D}_{g}S{h}^{\ast }\ln (1+B_M)$$

式中：

• $S{h}^{\ast }$ — 修正舍伍德数
• $B_M$ — Spalding质量传递数

热量平衡

$$m_p{c}_{p,l}\frac{d{T}_p}{dt}=h{A}_p(T_{\mathrm{\infty }}-T_p)+\frac{d{m}_p}{dt}{L}_v$$

其中 $L_v$ 为水的汽化潜热 (≈ 2260 kJ/kg)。

关键参数

雾化参数

参数	符号	典型值	影响
索特平均直径	SMD ($d_{32}$)	30~80 μm	蒸发速率
喷雾锥角	θ	20°~60°	覆盖范围
喷射速度	v₀	20~50 m/s	贯穿距离
Rosin-Rammler指数	n	2~4	粒径分布宽度

无量纲数

无量纲数	公式	物理意义
Weber数	$We={\rho }_g{v}_{rel}^{2}d/\sigma$	气动力/表面张力
Ohnesorge数	$Oh={\mu }_l/\sqrt{{\rho }_l\sigma d}$	粘性力/表面张力
Reynolds数	$Re={\rho }_g{v}_{rel}d/{\mu }_g$	惯性力/粘性力

模拟策略

DPM设置

1. 喷射类型: 压力旋流雾化 / 气助雾化
2. 液滴包数量: ≥ 20（统计收敛性）
3. 追踪方式: 非稳态粒子追踪
4. 破碎模型: Wave (KH-RT)
5. 湍流扩散: 随机游走模型 (DRW)

计算流程

初始化流场 → 喷射液滴 → 追踪运动/传热传质
    ↓
更新连续相源项 → 连续相求解
    ↓
收敛? → 是 → 后处理
    ↓ 否
返回追踪液滴

结果分析

评估指标

1. 蒸发完成率: 催化剂入口截面液滴质量/总喷射量
2. 液滴贯穿距离: 液滴消失位置/催化剂距离
3. NH3分布均匀性: 催化剂入口NH3浓度 RMS
4. 壁面撞击率: 撞击壁面的液滴质量比例

目标: 催化剂入口前液滴蒸发完成率 ≥ 98%，避免液体尿素直接接触催化剂。