基于流體交互性分析霧化噴嘴失效機(jī)理

石 亮， 張國(guó)俊， 李亞斌， 陳 新， 袁永年

（內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100）

1 噴嘴失效現(xiàn)狀

噴嘴失效是任一流體應(yīng)用工程較為嚴(yán)重的事件，尤其是遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)壽命的失效更是危害巨大，業(yè)界從物理結(jié)構(gòu)、通過(guò)性、化學(xué)反應(yīng)等逐個(gè)角度對(duì)這一現(xiàn)象的作用機(jī)理進(jìn)行了研究，雖然取得了一定進(jìn)展，但是幾乎定位于外界客觀原因，忽略了流體內(nèi)因這一根本性因素，所以噴嘴失效依舊是業(yè)界難題。本文通過(guò)流體交互性研究，提出湍流是流體的基本形式，而層流和類(lèi)層流實(shí)質(zhì)是湍流的特殊形式，將噴嘴工作過(guò)程定位為湍流這一基本形態(tài)，依托交互性這一基本特征可解釋許多流體現(xiàn)象，不僅豐富了流體交互性內(nèi)涵，還從新的視角促進(jìn)了湍流的研究和認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了與交互性相對(duì)應(yīng)的塑性因子作用的主要形式是能量的不同步輸送或轉(zhuǎn)化，這一交互狀態(tài)條件下，通俗講存在內(nèi)能、勢(shì)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(duì)稱(chēng)特征之一；還發(fā)現(xiàn)了交互性是導(dǎo)致極端現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)。這些極端現(xiàn)象不僅導(dǎo)致原有噴霧系統(tǒng)崩潰，重要的是導(dǎo)致原有噴霧系統(tǒng)中核心設(shè)備的損壞和不可逆，如噴嘴等，立足流體的交互性去分析霧化噴嘴失效深層次原因意義重大。

2 現(xiàn)有噴嘴設(shè)計(jì)特征及流體運(yùn)行

借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 以及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 技術(shù)，可以方便設(shè)計(jì)出如圖1 所示的工業(yè)化霧化噴嘴；從整體性能上看比第一、二代噴嘴有了質(zhì)的飛躍，不論從容錯(cuò)性還是通過(guò)性都有了很大的提高，可靠性也提高很多，但是從交互性視野看霧化噴嘴失效可能依然存在，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)思想依然基于層流和類(lèi)層流，能量守恒公式如下：

圖1 新型噴嘴

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(duì)應(yīng)的體積量；T 為流體溫度；沒(méi)有壓縮過(guò)程的流體，摩擦力忽略時(shí)，可認(rèn)為絕熱過(guò)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)。

這樣，以層流轉(zhuǎn)變?yōu)槎喑叨取⒋嬖谀芰縿×易兓撵F化現(xiàn)象需要人為構(gòu)造導(dǎo)致非均勻性、條件特征明顯的非線性生成機(jī)制，如圖2 所示生成噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機(jī)制，并產(chǎn)生與有限次頻譜濾波相對(duì)應(yīng)的非線性流體運(yùn)行特征，很明顯這一機(jī)制能在一定范圍內(nèi)滿足霧化需要，人造非線性特征明顯，依托這些非線性疊加產(chǎn)生新的頻譜滿足霧化要求，在一定程度上滿足了復(fù)雜性的要求。

圖2 噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機(jī)制

3 噴嘴交互性特征分析

流體通過(guò)有限次濾波孔，這一交互過(guò)程中由于能量激烈轉(zhuǎn)化，必然產(chǎn)生能量積聚行為，空間狹小，與能量積聚行為相對(duì)應(yīng)流體形態(tài)變化也大，僅3～4 條固定非線性通道，不能接納適應(yīng)這一變化，因此形成的流體是湍流，而且交互存在多尺度，噴嘴的有限次頻譜濾波穩(wěn)定性很難保證這一交互有序進(jìn)行，疊加時(shí)間因子這一不穩(wěn)定性決定了霧化過(guò)程疊加了多樣性和復(fù)雜性為特征的各種因素，由于這一多樣性是建立在不穩(wěn)定基礎(chǔ)上的，決定了核心部件噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機(jī)制是不穩(wěn)定的，根據(jù)普朗特流體阻力最小誘導(dǎo)原理，這一交互過(guò)程能量轉(zhuǎn)化是無(wú)序的、低效的為自堵塞效應(yīng)渦湍運(yùn)行方式，極易改變了原有噴射機(jī)理。

流體噴嘴霧化過(guò)程作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)考慮是最為方便的過(guò)程方程，設(shè)有一個(gè)系統(tǒng)S，在時(shí)刻t 的狀態(tài)可以由x（t）表示，則在時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)：

由式（2）可以具體分析時(shí)刻t 的噴嘴進(jìn)入圖1-2狀態(tài)前與時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)交互性進(jìn)入圖1-2 狀態(tài)后，由于圖2 噴嘴的有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)堵塞效應(yīng)產(chǎn)生了流體的非線性交換，這一過(guò)程的能量交換過(guò)程使得多余的能量對(duì)時(shí)刻（t+Δt）+Δt 的狀態(tài)流體交互過(guò)程與時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)交互性進(jìn)入圖1-2 狀態(tài)后及時(shí)刻t 的噴嘴進(jìn)入圖1-2 狀態(tài)前的狀態(tài)均相關(guān)，很明顯這一關(guān)系是無(wú)序的，尤其是存在能量的劇烈轉(zhuǎn)換，這些能量不能轉(zhuǎn)化為有序的位置能或者動(dòng)能賦予有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)；這樣有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)在時(shí)刻（t+Δt）+Δt 的狀態(tài)表征的交互性就進(jìn)入無(wú)序狀態(tài)，隨著這一過(guò)程的延續(xù)，有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)處于無(wú)序工作狀態(tài)，因?yàn)椴粫?huì)或者很難回到初始狀態(tài)，即使到達(dá)初始狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也已經(jīng)在非線性力作用下發(fā)生應(yīng)變因此不會(huì)進(jìn)入周期或者類(lèi)周期工作狀態(tài)。

多余的非線性力作用下，某種條件下有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)其濾波功能幾乎不能實(shí)現(xiàn)，不僅使得限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)流體交互性進(jìn)入無(wú)序過(guò)程，更重要的是進(jìn)入有限次頻譜濾波霧化結(jié)構(gòu)時(shí)流體多余的能量至始至終存在，決定了這部分能量將原有系統(tǒng)徹底改造，原設(shè)計(jì)建立的模型徹底失效，這樣使得系統(tǒng)進(jìn)入無(wú)序狀態(tài)運(yùn)行，結(jié)果只能是變形再變形直至徹底崩潰；因此交互性產(chǎn)生的能量是最大的不穩(wěn)定因素。

4 噴嘴損壞機(jī)理分析

噴嘴通常工作于高壓模式，能量傳遞通道不暢，交互過(guò)程能量轉(zhuǎn)化是無(wú)序的、低效的為自堵塞效應(yīng)渦湍運(yùn)行方式，在進(jìn)入通過(guò)有限次濾波孔時(shí)必然存在能量積聚及沖擊現(xiàn)象，必然導(dǎo)致湍流并進(jìn)入介尺度狀態(tài)，任意擾動(dòng)均可導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)換，因此噴嘴受到不均勻性力的過(guò)程及其頻繁，沖擊力疊加，噴嘴損壞概率很高，再疊加流通不暢，系統(tǒng)崩潰和噴嘴損壞就成為最常見(jiàn)的兩種失效形式，很明顯這兩種失效形式任一種均是非常惡劣的事故，從這點(diǎn)出發(fā)，分析其根本原因是交互性指標(biāo)確實(shí)造成的，這一物性指標(biāo)不改善，改善流體的潔凈性、噴嘴的抗沖擊性等均是無(wú)濟(jì)于事的或者收效甚微的工作。

機(jī)械變形損壞是噴嘴最后的體現(xiàn)形式，由交互性分析得知，這一變形的始作俑者是流體的塑性因子決定的，本身的通過(guò)性決定了非線性力的長(zhǎng)期存在，也決定了變形的必然性，最后體現(xiàn)在噴嘴的失效上。這個(gè)損壞失效機(jī)理給出一個(gè)重要的啟示，流體的潔凈度和噴嘴的損壞性關(guān)聯(lián)度很大，但是決定交互性因素不可忽視，決不能把通過(guò)性與潔凈度的完全線性關(guān)聯(lián)起來(lái)，因?yàn)榻换バ钥赡芨咏谑聦?shí)真相。

5 能量傳遞狀態(tài)分析

如果把流體噴嘴霧化過(guò)程作為一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)考慮，可以通過(guò)建立能量傳遞模型算子分析任意時(shí)刻系統(tǒng)的能量變化，在時(shí)刻t 的狀態(tài)可以由x（t）表示，則在時(shí)刻t+Δt 的狀態(tài)：

式（3）中T能量特征是非線性的、非連續(xù)的、非均勻的，這一過(guò)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，很明顯在該過(guò)程中幾乎沒(méi)有塑性變形，因此霧化過(guò)程中交互性是很差的，流體很難通過(guò)狹窄彎曲的通道，并實(shí)現(xiàn)霧化，從流體工作可靠性而言，霧化噴嘴可靠性不能滿足應(yīng)用要求，只能通過(guò)變化適應(yīng)這一現(xiàn)狀，霧化噴嘴的變化就是與原有設(shè)計(jì)對(duì)抗，結(jié)果只能是通過(guò)可靠性的降低適應(yīng)這一變化。

流體狀態(tài)能量變化遵循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，其定義是：

式中：U 為系統(tǒng)的內(nèi)能；T 為溫度（絕對(duì)溫度，K）；S 為熵；p 為壓強(qiáng)；V 為體積；H 為焓。

這個(gè)過(guò)程是復(fù)雜的，因?yàn)槟芰拷换ゴ嬖趧×业姆蔷€性，存在現(xiàn)有能量方程不能表達(dá)的能量轉(zhuǎn)換模式和規(guī)律，存在能量的逆輸送問(wèn)題，必須正視這一現(xiàn)象，但是如果把這一過(guò)程看成暫態(tài)考慮這一不均衡問(wèn)題在工程界就不是問(wèn)題，間斷化或者極值化設(shè)置對(duì)待這一問(wèn)題，看絕大多數(shù)條件是守恒的，也是可以確定的，這就是多少年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，更是大家的共識(shí)智慧，推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，但是對(duì)于霧化噴嘴而言關(guān)注交互性肯定有助于噴嘴技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

6 交互失衡分析

通過(guò)有限次濾波孔采用高壓模式霧化噴嘴交互過(guò)程分析，可以發(fā)現(xiàn)體流體進(jìn)入有限次濾波孔前，復(fù)雜體現(xiàn)在有限次濾波孔中交互和x（t）、t、Δt 因子條件下不確定因素累加，無(wú)序的流體尺度特征而言，配合以足夠的動(dòng)力，不僅讓機(jī)械變形加劇和可靠性下降，甚至讓設(shè)計(jì)依據(jù)數(shù)據(jù)直接作廢，更讓人驚奇的是能量變化讓人始料不及，這些也可揭示“黑天鵝事件”的發(fā)生條件，一句話交互性能量積聚現(xiàn)象特別易于使流體進(jìn)入介尺度的狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)屬于介尺度范疇時(shí)，任何一個(gè)干擾或者變動(dòng)均可導(dǎo)致系統(tǒng)的坍塌，就此而言，噴嘴失效就是本交互態(tài)下一個(gè)極易發(fā)生的常態(tài)而已，這一分析也與現(xiàn)場(chǎng)噴嘴霧化現(xiàn)狀非常吻合。

7 結(jié)語(yǔ)

忽略交互性設(shè)計(jì)的噴嘴是現(xiàn)有噴嘴可靠性差的主要原因，現(xiàn)階段以節(jié)流模式為主再配合有限非線性通道模型予以修正，進(jìn)行能量霧化轉(zhuǎn)化模型建立的霧化噴嘴物理結(jié)構(gòu)模型是薄弱的，該模型中流體的交互性特征很差且無(wú)規(guī)律可言，長(zhǎng)期連續(xù)工作過(guò)程中流體很難體現(xiàn)噴嘴設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用的一致性，因此該理論指導(dǎo)下構(gòu)造的物理模型霧化噴嘴其工業(yè)化效果很差；不能滿足流體霧化應(yīng)用需要，流體交互性在霧化噴嘴設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用必須予以重視和體現(xiàn)，無(wú)疑流體塑性因子這一指標(biāo)必須在實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中放到一個(gè)重要的位置予以考慮。