催化裂化进料雾化喷嘴的数值模拟及分析

方案RNG [k-ε]模型进行计算。

2 数值模拟过程

2.1 几何模型

如图1所示，雾化蒸汽由水平方向的进气管进入喷嘴，原料油由斜插的进液管进入喷嘴。为方便网格划分，提高网格质量，对喷嘴计算模型进行简化，具体结构参数如表1所示。

2.2 网格划分

采用GAMBIT软件进行网格划分。该模型的结构规则区域采用结构化网格进行划分，在结构相对复杂的进液孔段无法生成结构化网格，则采用非结构化网格进行划分，这样既可以提高计算效率，又不会对混合腔段流场产生影响。网格划分总数为162 825个。

2.3 边界条件及初始条件

边界条件设置如下：气相入口边界采用mass-flow-inlet，液相入口边界采用velocity-inlet，出口边界设置为pressure-inlet。雾化蒸汽进与原料油两相工质的进料量之比为1∶20。

3 模拟结果分析

3.1 气液两相体积分数分布

液相原料油体积分数分布情況如图2所示。原料油由液相入口进入喷嘴，被高体积分数的蒸汽冲击，流经混合腔至出口。随着Z值不断减小，原料油由较为集中的4点分布逐渐扩散开，体积分数分布在出口Z=-610mm截面处，相比混合腔初始部位Z=-10mm截面处要均匀得多。

3.2 速度分布

如图3所示，雾化蒸汽在喷嘴喉部收缩段由于截面变小，从而速度增大，到喉部扩张段由于截面变大，速度有所降低，待流至进液孔处，受原料油掺混的影响，雾化蒸汽流动空间受限，故在雾化蒸汽组分较高的混合腔中心部位速度较高。但是，随着原料油与雾化蒸汽在混合腔内混合逐渐均匀，流体速度也逐渐趋于平稳。喷嘴出口处截面突然变小，致使流体速度再次提升，如图4所示。混合腔近壁面处比中心处原料油的组分高，故喷嘴出口速度呈现出中心高近壁面低的趋势，喷嘴出口速度峰值出现在中心处，最大值达到209m/s，出口平面的速度平均值为101.18m/s。

3.3 湍流强度分布

气相雾化蒸汽的流速明显高于液相原料油的流速。由于雾化蒸汽在混合腔中心区域的流动占主导地位，故混合腔中心区域的湍流强度变化明显。如图5所示，由于出口段截面减小，湍流程度更剧烈。喷嘴出口湍流强度的径向分布如图6所示。从图6可以看出，出口平面湍流强度基本呈对称分布，在半径3mm的出口平面中心内，湍流强度达到最大值，且数值趋于平稳，在半径大于3mm的区域，随着半径的逐渐增大，湍流强度值逐渐降低。

3.4 压力分布

喷嘴的雾化效果在一定程度上与喷嘴的压力降有关，故压降大小决定了喷嘴雾化程度。如图7所示，喷嘴气相入口压力为0.75MPa，随着气液两相的流动，喷嘴内部的压力无明显变化，喷嘴出口段压力逐渐下降，最终在出口平面达到0.35MPa，压力在喷嘴出口段的变化最为明显。

4 结论

①采用VOF多相流模型可以有效模拟喷嘴内部气液两相的流动状态。

②喷嘴出口段气液两相掺混最均匀，且出口平面中心处速度最大值为209m/s，湍流程度在出口平面半径3mm内最激烈，有利于工质雾化。

③压力在喷嘴出口段的变化证明了在一次雾化末端，二次雾化前端，喷嘴出口段的结构对喷嘴物化性能的影响尤为重要。

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