CN109550417A - 液滴发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴发生装置，包括：本体，本体内限定有液相入口腔室、气相引流腔室和两相混合腔室，液相入口腔室和气相引流腔室间隔开且分别与两相混合腔室连通，本体设有与液相入口腔室连通的液相入口和与气相引流腔室连通的气相入口；射流管，射流管设在本体内，射流管的入口端与液相入口腔室连通，射流管的出口端与两相混合腔室连通，出口端的径向尺寸小于入口端的径向尺寸；喉管，其设在本体内，喉管的进口端与两相混合腔室连通，喉管的喷出端用于喷出介质。根据本发明实施例的液滴发生装置，通过降低出口端位置的压力，从气相引流腔室引入介质，可以适用于气‑液两相流中生成液滴以及气‑固两相流中生成粉末，实现高效节能的引流方式。

Description

液滴发生装置

技术领域

本发明涉及气液两相流热工水力学试验领域，具体地，涉及工业生产领域中液滴发生和喷雾技术，更具体地，涉及一种液滴发生装置。

背景技术

在能源电力、化工、宇航、高功率元器件制造和冷却以及新材料等行业中，常常需要进行气液两相流机理试验研究。例如流动沸腾换热，其传热系数通常比单相换热高出数十倍，是强化换热的主要方式，对各行业的生产运行具有重要意义。现代火电机组为提高发电效率而不断向高/超高参数发展，随着核电技术迅速发展，运行参数不断提高，针对高参数锅炉和反应堆堆芯，在高温高压条件下的传热特性研究对于电厂的经济性和安全性都具有非常重要的意义。其中液滴/蒸汽两相流动和传热问题是沸腾传热的主要研究课题之一，针对该问题的一个研究课题，临界热流密度作为沸腾传热的关键问题之一，临界热流密度是换热设备的换热表面必须监查的热工参数，对于各种依靠控制热流密度运行的换热表面，当热流密度超过临界热流密度时，传热系数急剧下降，壁温急剧飞升，可能会造成设备烧毁。临界热流密度发生的机理目前尚未完全清楚，其研究方法主要以试验研究为主。临界热流密度的主要机理模型有：液膜蒸干机理、近壁面气泡拥堵机理、微液层蒸干机理和界面分离机理。其中在液膜蒸干机理的作用下，液膜耗尽是液膜蒸发、主流液滴夹带和液滴沉降的综合结果。目前试验研究中大多采用测量含气量(空泡份额)的方法来获得液相的含量，或者在试验中通过可视化方法来测量液滴的大小和速度。针对该问题的另一个研究课题，在核电安全分析领域，沸腾传热的典型研究还包括反应堆大破口失水事故(反应堆的设计基准事故之一)中的再淹没现象。再淹没现象是反应堆在事故后将经历的重要阶段之一(喷放、再灌水、再淹没和长期冷却)。在喷放之后再淹没之前，由于堆芯裸露得不到充分的冷却，堆芯衰变热的释放导致燃料元件有熔化的危险，因此需要堆芯冷却***提供足够的冷却剂，使得堆芯能够再淹没，从而导出堆芯热量。因此再淹没是导出堆芯余热、保证反应堆安全的重要阶段。而在再淹没阶段，膜态沸腾换热是先驱冷却换热的主要形式。在膜态沸腾过程中，在换热表面形成液膜和大量液滴，为堆芯提供先驱冷却。目前主要采用试验方法来研究其沸腾换热机理，获得各种单一现象的模型，如壁面与液膜换热、液滴和蒸汽相间换热、壁面和液滴辐射传热、壁面液滴沉降、液滴夹带等数据和模型，评估反应堆应急堆芯冷却***的换热能力。

然而在现有试验研究中，通常依靠测量已经生成的夹带液滴的大小和速度，结合温度和热流密度等宏观参数来研究液滴和蒸汽相间传热，由于相间传热过程复杂且受到多种因素的影响，如液滴大小和速度、水和蒸汽流速、压力、入口水的过冷度、壁面温度和热功率等各参数影响，依靠试验中新生成的大量液滴难以控制变量以及获得单一因素作用的机制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明提出一种结构简单、操作方便、可以适用于气-液两相流中生成液滴以及气-固两相流中生成粉末的液滴发生装置。

根据本发明实施例的液滴发生装置，包括：本体，所述本体内限定有液相入口腔室、气相引流腔室和两相混合腔室，所述液相入口腔室和所述气相引流腔室间隔开且分别与所述两相混合腔室连通，所述本体设有与所述液相入口腔室连通的液相入口和与所述气相引流腔室连通的气相入口；射流管，所述射流管设在所述本体内，所述射流管的入口端与所述液相入口腔室连通，所述射流管的出口端与所述两相混合腔室连通，所述出口端的径向尺寸小于所述入口端的径向尺寸；以及喉管，所述喉管设在所述本体内，所述喉管的进口端与所述两相混合腔室连通，所述喉管的喷出端用于喷出介质。

根据本发明实施例的液滴发生装置，通过在本体内限定有液相入口腔室、气相引流腔室和两相混合腔室，从液相入口腔室流入的介质经过射流管后流速逐渐增大，压力逐渐减小，实现了对于气相引流腔室中的介质的高效节能引入，同时还能适用于气-液两相流中生成液滴以及气-固两相流中生成粉末。

另外，根据本发明实施例的液滴发生装置，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述本体的截面大致形成为矩形，所述液相入口腔室设在所述本体的一端且沿所述本体的宽度方向延伸，所述射流管和所述喉管分别沿所述本体的长度方向延伸，所述两相混合腔室设在所述射流管和所述喉管之间。

根据本发明的一个实施例，所述液相入口和所述气相入口分别设在所述本体在长度方向上的相对两侧。

根据本发明的一个实施例，所述气相引流腔室大致形成为柱状，所述气相引流腔室的一端封闭且另一端与所述两相混合腔室连通，所述气相入口设在所述气相引流腔室的侧部，所述射流管插接在所述气相引流腔室内且所述出口端伸出所述气相引流腔室。

根据本发明的一个实施例，所述气相引流腔室的另一端和所述射流管的出口端分别形成为缩口，所述两相混合腔室设在所述气相引流腔室和所述射流管的缩口端部。

根据本发明的一个实施例，所述本体内限定有喷出室，所述喉管的喷出端伸入所述喷出室。

根据本发明的一个实施例，所述喉管的喷出端形成为敞口。

根据本发明的一个实施例，所述气相引流腔室和所述两相混合腔室分别为多个，多个所述气相引流腔室沿所述本体的宽度方向间隔开分布，每个所述气相引流腔室内分别设有所述射流管，所述喉管为多个且分别与所述射流管一一对应。

根据本发明的一个实施例，所述的液滴发生装置还包括：射流管孔板，所述射流管孔板设在所述液相入口腔室内以将介质分配到多个所述射流管中。

根据本发明的一个实施例，所述的液滴发生装置还包括：喷嘴，所述喷嘴设在所述出口端且形成为圆形，所述喷嘴设有沿其轴向贯通的第一通孔和多个第二通孔，所述第一通孔设在所述喷嘴的中心且与所述喷嘴同轴，多个所述第二通孔沿所述喷嘴的周向间隔开设在所述喷嘴的外周。

根据本发明的一个实施例，所述的液滴发生装置还包括：整流板，所述整流板设在所述喉管内且邻近所述喷出端，所述整流板形成为圆形，所述整流板设有沿其轴向贯通的多个第三通孔，多个所述第三通孔间隔开设在所述整流板上。

根据本发明的一个实施例，至少一部分所述第三通孔沿所述整流板的径向间隔开布置。

根据本发明的一个实施例，所述喉管的出口端设有观察窗和高度摄像机以用于观察和记录生成液滴的形态和分布参数。

根据本发明的一个实施例，所述喉管的长度是所述喉管的直径的4-7倍。

根据本发明的一个实施例，所述喷嘴与所述喉管之间的距离是所述射流管的直径的1.2倍-1.6倍。

根据本发明的一个实施例，所述本体形成为Pyrex玻璃件或石英玻璃件。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的液滴发生装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的液滴发生装置的喷嘴的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的液滴发生装置的气液两相流整流板的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的计算公式得到的液滴的直径分布图。

附图标记：

液滴发生装置100；

本体10；液相入口腔室11；气相引流腔室12；两相混合腔室13；液相入口14；气相入口15；

射流管20；入口端21；出口端22；

喉管30；喷出端31；进口端32；喉部33；第三压力表34；第三流量计35。

喷出室40；

扩散管50；

射流管孔板60；

喷嘴70；第一通孔71；第二通孔72；

整流板80；第三通孔81；

高度摄像机90；

供液***200；

离心泵201；第二气动阀202；第二压力表203；第二流量计204；

供气***300；

空气压缩机301；储气罐302；第一气动阀303；第一压力表304；第一流量计305。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图具体描述根据本发明实施例的液滴发生装置100。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的液滴发生装置100包括本体10、射流管20以及喉管30。

具体而言，本体10内限定有液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13，液相入口腔室11和气相引流腔室12间隔开且分别与两相混合腔室13连通，本体10设有与液相入口腔室11连通的液相入口14和与气相引流腔室12连通的气相入口15，射流管20设在本体10内，射流管20的入口端21与液相入口腔室11连通，射流管20的出口端22与两相混合腔室13连通，出口端22的径向尺寸小于入口端21的径向尺寸，喉管30设在本体10内，喉管30的进口端与两相混合腔室13连通，喉管30的喷出端用于喷出介质。

换言之，根据本发明实施例的液滴发生装置100，主要由本体10、射流管20以及喉管30组成，在本体10内限定有液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13，液相入口腔室11内容纳有第一介质，本体10设有与液相入口腔室11连通的液相入口14，第一介质通过液相入口14进入液相入口腔室11，气相引流腔室12内容纳有第二介质，本体10还设有与气相引流腔室12连通的气相入口15，第二介质通过气相入口15进入气相引流腔室12。液相入口腔室11和气相引流腔室12间隔开且分别与两相混合腔室13连通，在本体10内还设有射流管20，射流管20的入口端21与液相入口腔室11连通，射流管20的出口端22与两相混合腔室13连通，出口端22的径向尺寸小于入口端21的径向尺寸，第一介质在射流管20的出口端22位置附近流速逐渐增加、压力逐渐降低，两相混合腔室13的压力降低对于第二介质起到引流的作用，由于在气相入口15处的第二介质的压力大，则第二介质会通过气相引流腔室12被吸入两相混合腔室13，并在两相混合腔室13中第一介质和第二介质得到充分混合，形成具有一定尺寸的介质。

喉管30设在本体10内，喉管30的进口端与两相混合腔室13连通，喉管30的喷出端31用于喷出介质。

由此，根据本发明实施例的液滴发生装置100，通过液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13的结构设计，在液相入口腔室11内设有射流管20，两相混合腔室13连通有喉管30，第一介质在射流管20的出口端22位置加速、降压，从气相引流腔室12引入第二介质，第一介质和第二介质在两相混合腔室13中形成具有一定尺寸的介质，同时还实现了高效节能的引流方式。

需要说明的是，液滴发生装置100可适用于气-液两相流中生成液滴以及气-固两相流中生成粉末，也就是说，当第一介质是液相流体、第二介质是气相流体时，通过两相混合腔室13和喉管30，可形成具有一定尺寸的液滴，当第一介质是固相流体、第二介质是气相介质时，通过两相混合腔室13和喉管30，可形成具有一定尺寸的粉末，在本实施例中以气-液两相流为例进行说明。

具体地，液相入口腔室11中的液相流体和气相引流腔室12中气相流体在两相混合腔室13中混合并形成的液滴通过液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13的结构设计和气液两相混合比控制，运用射流理论、液体表面不稳定理论和液滴破碎原理，在喉管30的喷出端31形成具有特定直径分布的液滴-气相两相流场，为气液两相流热工水力学机理研究试验或其他工业生产设备提供满足直径分布要求的液滴。

根据本发明的一个实施例，本体10的截面可以大致形成为矩形，在本体10中设有液相入口腔室11、射流管20和喉管30。

具体地，液相入口腔室11设在本体10的一端且沿本体10的宽度方向延伸，射流管20和喉管30分别沿本体10的长度方向延伸，射流管20和喉管30具有一定的长度，两相混合腔室13设在射流管20和喉管30之间。

也就是说，液相流体通过液相入口14进入液相入口腔室11，经过具有一定长度的射流管20后流速增大，压力减小，进入两相混合腔室13，喉管30的进口端形成喉部33，在射流管20至喉部33之间，液相流体的流速达到最高，压力降至最低，根据液滴发生装置100的几何设计，在两相混合腔室13内可形成真空，便于将气相流体引入两相混合腔室13，引流方式高效节能。射流管20具有一定的长度，便于实现液相流体从射流管20的出口端22流出时压力小，液滴从两相混合腔室13中进入喉管30后，继续破碎，根据两相射流内部流态变化理论，在一定长度的喉管30中，从喉管30的进口端32开始，依次形成两相相对运动区域、液滴流动区域、泡沫状流动区域，喉管30的长度设计为两相相对运动区域和液滴流动区域，通过结构设计和气液两相混合比控制，运用射流理论、液体表面不稳定理论、液滴破碎原理，在喉管30的喷出端31可形成具有特定直径分布的液滴-气相两相流场，为气液两相流热工水力学机理研究试验或其他工业生产设备提供满足直径分布要求的液滴。

优选地，喉管30的长度是喉管30的直径的4-7倍。

需要说明的是，在喉管30的喷出端31处可连接有第三压力表和第三流量计。

可选地，液相入口14和气相入口15可分别设在本体10在长度方向上的相对两侧，当本体10内设有多个液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13时，通过分别设在本体10在长度方向上的相对两侧的液相入口14和气相入口15，可以使气相流体和液相流体在每个两相混合腔室13内混合。

需要说明的是，在液相入口腔室11一侧可设有供液***200，供液***200与液相入口14相连以向液相入口腔室11输送液相流体，在气相引流腔室12一侧可设有供气***300，供气***300与气相入口15相连以向气相引流腔室12内输送气相流体，液相入口14和气相入口15不设于一侧时，便于供液***200和供气***300的布置，且便于在本体10内具有多个射流管20。

在本发明的一些具体实施方式中，气相引流腔室12可大致形成为柱状，气相引流腔室12的一端封闭且另一端与两相混合腔室13连通，气相入口15设在气相引流腔室12的侧部，射流管20插接在气相引流腔室12内且出口端22伸出气相引流腔室12。

具体地，气相引流腔室12由于一端封闭，通过气相入口15通入的气相流体只能朝向气相引流腔室12与两相混合腔室13连通的另一端方向流动，射流管20内容纳有液相流体，液相流体穿过射流管20的出口端22与从气相引流腔室12内流出的气相流体混合。

进一步地，气相引流腔室12的另一端和射流管20的出口端22分别形成为缩口，两相混合腔室13设在气相引流腔室12和射流管20的缩口端部。

具体地，气相引流腔室12的另一端形成为缩口，便于将气相流体引入到两相混合腔室13内，射流管20的出口端22形成为缩口，便于使从出口端22流出的液相流体的流速增快，压力降低，使气相入口15处的气相流体的压力大于两相混合腔室13内的压力，实现对于气相流体的高效引流。

根据本发明的一个实施例，本体10内限定有喷出室40，喉管30的喷出端31伸入喷出室40，液滴从喷出室40中喷出。

可选地，喉管30的喷出端31形成为敞口。

需要说明的是，在喉管30的喷出端31连接有扩散管50，扩散管50可用于增加两相出口面积以恢复流场压力，液滴从喷出室40喷出至气液两相流热工水力学试验装置内。

在本发明的一些具体实施例中，气相引流腔室12和两相混合腔室13分别为多个。

具体地，多个气相引流腔室12沿本体10的宽度方向间隔开分布，每个气相引流腔室12内分别设有射流管20，喉管30为多个且分别与射流管20一一对应，提高形成特定尺寸的液滴的效率。

进一步地，根据本发明实施例的液滴发生装置100还包括：射流管孔板60，射流管孔板60设在液相入口腔室11内以将介质分配到多个射流管20中。

根据本发明的一个实施例，液滴发生装置100还包括：喷嘴70。

具体地，喷嘴70设在出口端22且可形成为圆形，喷嘴70设有沿其轴向贯通的第一通孔71和多个第二通孔72，第一通孔71设在喷嘴70的中心且与喷嘴70同轴，多个第二通孔72沿喷嘴70的周向间隔开设在喷嘴70的外周，本发明实施例的液滴发生装置100通过喷嘴70、两相混合腔室13和喉管30的几何设计，确保了气液两相流动形态为液滴状流动，而非两相剪切流或泡沫状流动，保证了所生成液滴直径分布具有良好的分散性。

通过结构设计，可以使在喷嘴70位置水流速增加、压力降至最低，在喷嘴70出口至喉管30的进口端32形成负压，从气相引流腔室12引入气体，根据液滴破碎原理，从喷嘴70喷射出的液柱由于液相和气相的速度差，而发生表面不稳定和二次破碎，从而形成特定直径分布的液滴。根据气液射流内部流态变化规律，在喉管30的喷出端31形成具有特定直径分布的液滴-气相两相流场，为气液两相流热工水力学试验机理研究或工业生产提供满足直径分布要求的液滴。

优选地，喷嘴70与喉管30的喉部33之间的距离是射流管20的直径的1.2倍-1.6倍，如果距离太长则流体-壁面的摩擦损失较大，且会在两相混合腔室13中形成较厚的激波，如果距离太短则气相流体和液相流体不能充分混合，根据液体表面不稳定理论，液柱表面形成扰动波，扰动波幅值增加，在增长率达到最大值时，液柱破碎成大液滴，在气相流体和液相流体之间的速度差继续存在时，大液滴发生变形和破碎，大液滴从两相混合腔室13中进入喉管30后，继续破碎。

在本发明的一些具体实施方式中，液滴发生装置100还包括：整流板80。

具体地，整流板80设在喉管30内且邻近喷出端31，整流板80形成为圆形，整流板80设有沿其轴向贯通的多个第三通孔81，多个第三通孔81间隔开设在整流板80上，可以使气相流场和液滴流场更加均匀。

进一步地，至少一部分第三通孔81沿整流板80的径向间隔开布置。

在本发明的一些具体实施方式中，喉管30的喷出端31设有观察窗和高度摄像机90以用于观察和记录生成液滴的形态和分布参数，实际观察到的液滴参数用于修正设计值，为气液两相流热工水力学试验装置提供液滴场的定量输入条件。

优选地，本体10形成为Pyrex玻璃件或石英玻璃件，具有高强度，延长使用寿命。

总而言之，本发明实施例的液滴发生装置100基于射流理论和液滴破碎原理设计，原理具有普适性和可推广性，液滴发生装置100可广泛适用于气-液两相流中生成液滴、气-固两相流中生成粉末，可应用的领域不仅包括流动沸腾换热机理研究，还可推广至工业生产领域如喷雾燃烧、喷涂涂料、喷雾干燥生产粉末(如奶粉等)。液滴发生装置100通过气相引流腔室12的设计，节省了空气压缩机做功，结构简化、成本降低，实现了高效节能的引流方式。液滴发生装置100通过喷嘴70、两相混合腔室13和喉管30的组合设计，确保了气液两相流动形态为液滴状流动，而非两相剪切流或泡沫状流动，保证了所生成液滴直径分布具有良好的分散性，在喉管30的喷出端31形成具有特定直径分布的液滴-气相两相流场，为气液两相流热工水力学试验装置或者其他工业设备(如能源、电力、化工、食品等中的炉膛、燃烧室、喷涂机、喷雾干燥机等)提供用于机理研究的满足直径分布要求的液滴。本发明实施例的液滴发生装置100可广泛应用于能源、电力、化工、制造业、食品和制药等领域，以及热工水力学气液两相流机理试验研究等试验现场，具有普适性和可推广性。

本发明还提供了一种根据液滴发生装置100的结构参数和液滴参数设计之间的关系计算液滴发生装置100的效率和液滴直径的计算方法。

根据本发明的一个实施例，供气***300包括空气压缩机301、储气罐302、第一气动阀303、第一压力表304、以及第一流量计305。

具体地，空气压缩机301用于提供空气源，储气罐302与空气压缩机301相连以用于储存空气并提供更加稳定的气源，第一气动阀303用于调节供气***的气相流量Q_g，第一压力表304用于监测液相入口腔室的入口的气体压力p_g，以及第一流量计305用于监测液相入口腔室的入口的气相流量Q_g。

根据本发明的另一个实施例，供液***200包括离心泵201、第二气动阀202、第二压力表203和第二流量计204。

具体地，离心泵201用于为液相入口腔室提供液相流体，第二气动阀202用于调节供水***的液相流量Q_l，第二压力表203用于监测液相入口腔室的入口的液体压力p_l，以及第二流量计204用于监测液相入口腔室的入口的液相流量Q_l。

在本发明的一些具体实施方式中，采用计算方法可以对液滴发生装置100的效率和液滴直径进行计算。

具体地，例如，可以使用以下方法对液滴发生装置100的结构参数进行计算和设计，对液滴发生装置100的效率和液滴直径进行计算。

(1)喷嘴70的单孔直径计算公式：

式(1-1)为射流管20中的液相流体的液相流动方程且可根据伯努利方程推导出；

式(1-2)可计算出经过流量系数修正的射流管20的喷嘴70的直径；

式中：Q_l——液相流量；Q_g——气相流量；M——气相质量流量与液相质量流量比；p_l——液相入口腔室中的液相流量的压力；p_g——气相引流腔室中的气体压力；p_d——扩散管后两相混合物的压力；α₁——修正系数；μ₁——流量系数。

需要说明的是，设计射流管20的出口端22的液相流体的压力等于从扩散管50的出口处的两相混合物的压力p_d；α₁＝1～1.05，取值为1；μ₁＝0.9～0.95，取值为0.9。

(2)喷嘴70的多孔喷嘴直径设计：

d₂＝(2n+1)d₁ (2-1)

式中：n——在直径上的孔个数；d₁——喷嘴的单孔直径；d₂——喷嘴的多孔喷嘴直径。(3)射流管20的直径设计：

d₃＝2.5d₂ (3-1)

式中：d₂——喷嘴的多孔喷嘴直径；d₃——射流管的直径。

(4)喉管30与喷嘴70的截面的最佳面积比计算公式：

需要说明的是，已知流量比，根据Cosline和O’Brien的射流理论，可以得到式(4-1)；

式中，R_opt——喉管与喷嘴最佳面积比；a——相关系数；

其中C₀＝0.65～1；a的值与喉部与喷嘴面积比相关。

(5)喉管30直径设计计算公式：

式中，R_opt——喉管与喷嘴最佳面积比；d₃——射流管的直径；d₄——喉管直径。

(6)气相引流腔室12直径设计：

d₅＝4d₂ (6-1)

式中，d₃——射流管的直径；d₅——气相引流腔室直径。

(7)两相混合腔室13在喷嘴70的喷出端出口截面直径设计：

式中，d₂——喷嘴的多孔喷嘴直径；d₃——射流管的直径；d₅——气相引流腔室直径；d₆——两相混合腔室在喷嘴的喷出端出口截面直径。

(8)扩散管50直径设计：

d₇＝1.2d₂ (8-1)

式中，d₂——喷嘴的多孔喷嘴直径；d₇——扩散管直径。

(9)液相入口腔室11直径设计：

d₈＝md₅ (9-1)

式中，m——射流管的总数量；d₅——气相引流腔室直径；d₈——液相入口腔室直径。(10)射流管20锥顶角设计：

α＝20°～40° (10-1)

式中，α——射流管锥顶角；

优选地，α＝30°。

(11)两相混合腔室13锥顶角设计：

β＝α＝30° (11-1)

式中，α——射流管锥顶角；β——两相混合腔室锥顶角。

(12)扩散管50锥顶角设计：

γ＝5°～8° (12-1)

式中，γ——射流管锥顶角；

优选地，γ＝6°。

(13)射流管20长度设计：

L_j＝3d₃ (13-1)

式中，d₃——射流管的直径；L_j——射流管长度。

(14)喉管30长度设计：

L_k＝(4～7)d₄ (14-1)

式中，d₄——喉管直径；L_k——喉管长度。

优选地，L_k＝6d₄ (14-2)

(15)喷嘴70与喉部33的距离设计：

L_s＝(1.2～1.6)d₃ (15-1)

式中，d₃——射流管的直径；L_s3——喷嘴与喉部的距离。

优选地，L_s＝1.5d₃ (15-2)

(16)扩散管50长度设计：

L_d＝cosγ[(d_d-d₂)/2] (16-1)

式中，d₂——射流管的喷嘴的多孔喷嘴直径；γ——射流管锥顶角；d_d——扩散管长度。(17)液相入口腔室11长度设计：

L_in＝4d₈ (17-1)

式中，d₈——液相入口腔室直径；L_in——液相入口腔室长度。

(18)喷出室40长度设计：

L_out＝1.5d_d (18-1)

式中，d_d——扩散管长度；L_out——喷出室长度。

(19)喷嘴70的喷出端出口液相速度计算公式：

式中，d₁——射流管的喷嘴的单孔直径；u_l——喷嘴的喷出端出口液相速度；Q_l——液相流量。

(20)两相混合腔室13在喷嘴70出口的气相速度计算公式：

式中，d₆——两相混合腔室在喷嘴的喷出端的出口截面直径；Q_g——气相流量；u_g——两相混合腔室在喷嘴出口处的气相速度。

(21)液滴发生装置100的效率计算公式

M₀＝(5R-0.9445)^0.5-1.75R＝[1.5,3)

N₀＝2.667-0.0023(R+26.07)²R＝[1.5,3)

M₀＝(5R-0.95)^0.5-1.7R＝[3,25)

N₀＝1.45R^-0.892R＝[3,25) (21-6)

(22)液滴直径计算公式：

γ＝R+δ' (22-1)

δ'＝real[δ₀·e^{ikx+(ω-ikU)t}] (22-2)

U_r＝u_l-u_g (22-8)

式中，R——未受扰动时液柱的横截面半径，单位为m；δ'——扰动波的波幅，单位为m，可用扰动波的实数部分表示；λ_s——增长最快的扰动波的波长；Ks——增长最快的扰动波对应的无量纲波数；h——喷嘴出口的液柱直径，单位为m；r——液柱破碎产生的大液滴的平均直径；We——液滴We数，用于表征液滴阻力与表面张力之比；d₀——液滴直径；U_r——两相相对速度。

需要说明的是，从喷嘴70中喷射的液柱发生径向扩张，液柱表面的扰动波幅不断增长，当扰动波增长率达到最大值时，液柱破碎形成液滴。基于液体表面不稳定性理论，液柱破碎产生的液滴的大小与液柱破碎时表面波的波长成正比。

根据液体表面不稳定性理论，由于扰动波的存在，液柱表面有较小的扰动位移，可得出液柱表面方程为(22-1)。

根据液体表面不稳定性理论，扰动波幅值增加，当表面波的增长率达到最大值时，液柱破碎成大液滴，液柱破碎形成的球状大液滴：根据公式(22-1)至(22-4)，可得到液柱破碎产生的大液滴的平均直径的公式(22-5)。

根据Hinze研究理论，在空气动力学作用下，液滴变形和破碎主要取决于液滴We数，液滴We数用于表征液滴阻力与表面张力之比，根据式(22-7)，可得液滴直径。

进一步地，剪切液滴的We数范围为100≤We<1000，在100≤We<1000范围内，随着气体和液滴的相对速度的增大，液滴边缘被剪切成液膜，然后沿液滴周向破碎，破碎的控制因素是气流对于运动液滴的剥离，具有加速度的液滴从最大迎风直径处开始剥离，在液滴周围及其尾部形成大量细小液滴。根据喷嘴70出口的两相相对速度和液相表面张力可以得出喷嘴70出口的液滴直径范围，剪切液滴的直径分布符合正态分布规律。

在本发明的一些具体实施方式中，气相流体以空气为例，液相流体以水为例进行说明。

当液相流体为水和气相流体为空气时，分别通过液相入口腔室11和气相引流腔室12引入，在气相流体中形成液相射流，通过射流理论、液体表面不稳定理论、液滴破碎原理形成一定尺寸的液滴。

供液***200包括：离心泵201、第二气动阀202、第二压力表203和第二流量计204，其中离心泵201为液滴发生装置提供所需流量和压力的水，第二气动阀202用于准确调节供水***的液相流量Q_l，第二压力表203用于液相入口的液体压力p_l，第二流量计204用于监测液相入口的液相流量Q_l。

供气***包括：空气压缩机301；储气罐302；第一气动阀303；第一压力表304和第一流量计305，其中空气压缩机301用于提供空气源，将空气源输送至储气罐302，在大体积的储气罐302中储存大量的空气，便于提供更加稳定的气源，第一气动阀303用于准确调节供气***的气相流量Q_g，压力表用于监测气相入口的气体压力p_g，第一流量计305用于监测气相入口的气相流量Q_g。

根据本发明的一个实施例，液相流量Q_l为50m³/h，气相流量Q_g，气相体积流量与液相体积流量比为Q＝30，气相质量流量与液相质量流量比为M，液体压力p_l为0.7MPa，气相引流腔室12中的气体压力p_g为0.2MPa，经过扩散管50后的两相混合物的压力p_d为0.3MPa，整流板80上的第三通孔81的数量为40个且均匀分布。

具体地，在液相入口14处设有液相入口接管，水从液相入口接管中流入本体10内，且进入液相入口腔室11，通过连接射流管20的射流管孔板60分配到各个射流管20中，射流管20的数量为3个，水在射流管20中通过缩口端部到达喷嘴70，从喷嘴70的孔中喷出，形成射流液柱。喷嘴70上设有1个第一通孔71和8个第二通孔72，第一通孔71设在喷嘴70的中心且与喷嘴70同轴，8个第二通孔72沿喷嘴70的周向等间距间隔开设在喷嘴70的外周。喷嘴70的第一通孔71和第二通孔72的直径计算过程如式(1-2)和(2-1)进行计算。水在射流管中运动至喷嘴70喷出的过程，流速逐渐升高、压力逐渐降低，在喷嘴70出口至喉部33之间，液相流速达到最高，压力降至最低，根据液滴发生装置100的几何设计，在两相混合腔室13中形成真空。。

两相混合腔室13的压力降低对空气起到引流的作用，由于在气相入口15处的气体压力大于0，则空气会通过气相引流腔室12被吸入两相混合腔室13，其中空气和水得到充分混合。在两相混合腔室13中，喷嘴70与喉部33之间的距离如果距离太长则流体-壁面的摩擦损失较大，且会在两相混合腔室13中形成较厚的激波；如果太短则两相不能充分混合，该距离通过计算过程设计。根据液体表面不稳定理论，液柱表面形成扰动波，扰动波幅值增加，在增长率达到最大值时，液柱破碎成大液滴。在两相速度差继续存在时，大液滴发生变形和破碎，大液滴的破碎由We数决定。

大液滴从两相混合腔室13中进入喉管30后，继续破碎，根据两相射流内部流态变化理论，在一定长度的喉管30中，从喉管30的进口端32开始，依次形成两相相对运动区域、液滴流动区域、泡沫状流动区域。喉管30的长度设计为两相相对运动区域和液滴流动区域。通过本发明实施例的液滴发生装置100的设计以及调整气相流体和液相流体的流速能够调整We数，得到所需直径分布的液滴。在喉管30的喷出端31位置设置观察窗和高度摄像机，用于观察和记录生成液滴的形态和分布参数，实际观察到的液滴参数用于修正设计值，为气液两相流热工水力学试验装置提供液滴场的定量输入条件，液滴分布参数的计算过程如式(22-1)至(22-7)所示，计算得如图4所示的液滴的直径分布图，计算得液滴发生装置的结构参数和液滴参数结果如表1所示。

表1

总而言之，根据本发明实施例的液滴发生装置100，通过液相入口腔室11、气相引流腔室12和两相混合腔室13的结构设计，在液相入口腔室11内设有射流管20，两相混合腔室13连通有喉管30，第一介质在射流管20的出口端22位置加速、降压，从气相引流腔室12引入第二介质，第一介质和第二介质在两相混合腔室13中形成具有一定尺寸的介质，同时还实现了高效节能的引流方式。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (16)

1.一种液滴发生装置，其特征在于，包括：

本体，所述本体内限定有液相入口腔室、气相引流腔室和两相混合腔室，所述液相入口腔室和所述气相引流腔室间隔开且分别与所述两相混合腔室连通，所述本体设有与所述液相入口腔室连通的液相入口和与所述气相引流腔室连通的气相入口；

射流管，所述射流管设在所述本体内，所述射流管的入口端与所述液相入口腔室连通，所述射流管的出口端与所述两相混合腔室连通，所述出口端的径向尺寸小于所述入口端的径向尺寸；

喉管，所述喉管设在所述本体内，所述喉管的进口端与所述两相混合腔室连通，所述喉管的喷出端用于喷出介质。

2.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述本体的截面大致形成为矩形，所述液相入口腔室设在所述本体的一端且沿所述本体的宽度方向延伸，所述射流管和所述喉管分别沿所述本体的长度方向延伸，所述两相混合腔室设在所述射流管和所述喉管之间。

3.根据权利要求1或2所述的液滴发生装置，其特征在于，所述液相入口和所述气相入口分别设在所述本体在长度方向上的相对两侧。

4.根据权利要求1或2所述的液滴发生装置，其特征在于，所述气相引流腔室大致形成为柱状，所述气相引流腔室的一端封闭且另一端与所述两相混合腔室连通，所述气相入口设在所述气相引流腔室的侧部，所述射流管插接在所述气相引流腔室内且所述出口端伸出所述气相引流腔室。

5.根据权利要求4所述的液滴发生装置，其特征在于，所述气相引流腔室的另一端和所述射流管的出口端分别形成为缩口，所述两相混合腔室设在所述气相引流腔室和所述射流管的缩口端部。

6.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述本体内限定有喷出室，所述喉管的喷出端伸入所述喷出室。

7.根据权利要求1或6所述的液滴发生装置，其特征在于，所述喉管的喷出端形成为敞口。

8.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述气相引流腔室和所述两相混合腔室分别为多个，多个所述气相引流腔室沿所述本体的宽度方向间隔开分布，每个所述气相引流腔室内分别设有所述射流管，所述喉管为多个且分别与所述射流管一一对应。

9.根据权利要求8所述的液滴发生装置，其特征在于，还包括：射流管孔板，所述射流管孔板设在所述液相入口腔室内以将介质分配到多个所述射流管中。

10.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，还包括：

喷嘴，所述喷嘴设在所述出口端且形成为圆形，所述喷嘴设有沿其轴向贯通的第一通孔和多个第二通孔，所述第一通孔设在所述喷嘴的中心且与所述喷嘴同轴，多个所述第二通孔沿所述喷嘴的周向间隔开设在所述喷嘴的外周。

11.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，还包括：整流板，所述整流板设在所述喉管内且邻近所述喷出端，所述整流板形成为圆形，所述整流板设有沿其轴向贯通的多个第三通孔，多个所述第三通孔间隔开设在所述整流板上。

12.根据权利要求11所述的液滴发生装置，其特征在于，至少一部分所述第三通孔沿所述整流板的径向间隔开布置。

13.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述喉管的出口端设有观察窗和高度摄像机以用于观察和记录生成液滴的形态和分布参数。

14.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述喉管的长度是所述喉管的直径的4-7倍。

15.根据权利要求10所述的液滴发生装置，其特征在于，所述喷嘴与所述喉管之间的距离是所述射流管的直径的1.2倍-1.6倍。

16.根据权利要求1所述的液滴发生装置，其特征在于，所述本体形成为Pyrex玻璃件或石英玻璃件。