基于流體交互性分析霧化噴嘴失效機理

石 亮， 張國俊， 李亞斌， 陳 新， 袁永年

（內蒙古利民煤焦有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯 016100）

1 噴嘴失效現狀

噴嘴失效是任一流體應用工程較為嚴重的事件，尤其是遠離設計壽命的失效更是危害巨大，業界從物理結構、通過性、化學反應等逐個角度對這一現象的作用機理進行了研究，雖然取得了一定進展，但是幾乎定位于外界客觀原因，忽略了流體內因這一根本性因素，所以噴嘴失效依舊是業界難題。本文通過流體交互性研究，提出湍流是流體的基本形式，而層流和類層流實質是湍流的特殊形式，將噴嘴工作過程定位為湍流這一基本形態，依托交互性這一基本特征可解釋許多流體現象，不僅豐富了流體交互性內涵，還從新的視角促進了湍流的研究和認識，發現了與交互性相對應的塑性因子作用的主要形式是能量的不同步輸送或轉化，這一交互狀態條件下，通俗講存在內能、勢能、動能變化，嚴格講遵循吉布斯自由能公式，多尺度、非均勻、具備能量疊加儲存特性是交互性非對稱特征之一；還發現了交互性是導致極端現象發生的基礎。這些極端現象不僅導致原有噴霧系統崩潰，重要的是導致原有噴霧系統中核心設備的損壞和不可逆，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 現有噴嘴設計特征及流體運行

借助于計算機輔助設計CAD 以及計算流體動力學CFD 技術，可以方便設計出如圖1 所示的工業化霧化噴嘴；從整體性能上看比第一、二代噴嘴有了質的飛躍，不論從容錯性還是通過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，因為其設計思想依然基于層流和類層流，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對應的體積量；T 為流體溫度；沒有壓縮過程的流體，摩擦力忽略時，可認為絕熱過程，T 的值到達下一斷面時，可保持不變，這一條件滿足時，C 為常數。

這樣，以層流轉變為多尺度、存在能量劇烈變化的霧化現象需要人為構造導致非均勻性、條件特征明顯的非線性生成機制，如圖2 所示生成噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機制，并產生與有限次頻譜濾波相對應的非線性流體運行特征，很明顯這一機制能在一定范圍內滿足霧化需要，人造非線性特征明顯，依托這些非線性疊加產生新的頻譜滿足霧化要求，在一定程度上滿足了復雜性的要求。

圖2 噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機制

3 噴嘴交互性特征分析

流體通過有限次濾波孔，這一交互過程中由于能量激烈轉化，必然產生能量積聚行為，空間狹小，與能量積聚行為相對應流體形態變化也大，僅3～4 條固定非線性通道，不能接納適應這一變化，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定性很難保證這一交互有序進行，疊加時間因子這一不穩定性決定了霧化過程疊加了多樣性和復雜性為特征的各種因素，由于這一多樣性是建立在不穩定基礎上的，決定了核心部件噴嘴的有限次頻譜濾波霧化機制是不穩定的，根據普朗特流體阻力最小誘導原理，這一交互過程能量轉化是無序的、低效的為自堵塞效應渦湍運行方式，極易改變了原有噴射機理。

流體噴嘴霧化過程作為一個動力系統考慮是最為方便的過程方程，設有一個系統S，在時刻t 的狀態可以由x（t）表示，則在時刻t+Δt 的狀態：

由式（2）可以具體分析時刻t 的噴嘴進入圖1-2狀態前與時刻t+Δt 的狀態交互性進入圖1-2 狀態后，由于圖2 噴嘴的有限次頻譜濾波霧化結構堵塞效應產生了流體的非線性交換，這一過程的能量交換過程使得多余的能量對時刻（t+Δt）+Δt 的狀態流體交互過程與時刻t+Δt 的狀態交互性進入圖1-2 狀態后及時刻t 的噴嘴進入圖1-2 狀態前的狀態均相關，很明顯這一關系是無序的，尤其是存在能量的劇烈轉換，這些能量不能轉化為有序的位置能或者動能賦予有限次頻譜濾波霧化結構；這樣有限次頻譜濾波霧化結構在時刻（t+Δt）+Δt 的狀態表征的交互性就進入無序狀態，隨著這一過程的延續，有限次頻譜濾波霧化結構實質處于無序工作狀態，因為不會或者很難回到初始狀態，即使到達初始狀態，對應的結構狀態也已經在非線性力作用下發生應變因此不會進入周期或者類周期工作狀態。

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構其濾波功能幾乎不能實現，不僅使得限次頻譜濾波霧化結構流體交互性進入無序過程，更重要的是進入有限次頻譜濾波霧化結構時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徹底改造，原設計建立的模型徹底失效，這樣使得系統進入無序狀態運行，結果只能是變形再變形直至徹底崩潰；因此交互性產生的能量是最大的不穩定因素。

4 噴嘴損壞機理分析

噴嘴通常工作于高壓模式，能量傳遞通道不暢，交互過程能量轉化是無序的、低效的為自堵塞效應渦湍運行方式，在進入通過有限次濾波孔時必然存在能量積聚及沖擊現象，必然導致湍流并進入介尺度狀態，任意擾動均可導致狀態轉換，因此噴嘴受到不均勻性力的過程及其頻繁，沖擊力疊加，噴嘴損壞概率很高，再疊加流通不暢，系統崩潰和噴嘴損壞就成為最常見的兩種失效形式，很明顯這兩種失效形式任一種均是非常惡劣的事故，從這點出發，分析其根本原因是交互性指標確實造成的，這一物性指標不改善，改善流體的潔凈性、噴嘴的抗沖擊性等均是無濟于事的或者收效甚微的工作。

機械變形損壞是噴嘴最后的體現形式，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，本身的通過性決定了非線性力的長期存在，也決定了變形的必然性，最后體現在噴嘴的失效上。這個損壞失效機理給出一個重要的啟示，流體的潔凈度和噴嘴的損壞性關聯度很大，但是決定交互性因素不可忽視，決不能把通過性與潔凈度的完全線性關聯起來，因為交互性可能更接近于事實真相。

5 能量傳遞狀態分析

如果把流體噴嘴霧化過程作為一個動力系統考慮，可以通過建立能量傳遞模型算子分析任意時刻系統的能量變化，在時刻t 的狀態可以由x（t）表示，則在時刻t+Δt 的狀態：

式（3）中T能量特征是非線性的、非連續的、非均勻的，這一過程不僅實現了能量輸運，而且實現了能量的轉化，很明顯在該過程中幾乎沒有塑性變形，因此霧化過程中交互性是很差的，流體很難通過狹窄彎曲的通道，并實現霧化，從流體工作可靠性而言，霧化噴嘴可靠性不能滿足應用要求，只能通過變化適應這一現狀，霧化噴嘴的變化就是與原有設計對抗，結果只能是通過可靠性的降低適應這一變化。

流體狀態能量變化遵循吉布斯自由能又叫吉布斯函數，（英Gibbs free energy，Gibbs energy or Gibbs function；also known as free enthalpy）是熱力學中一個重要的參量，常用G 表示，其定義是：

式中：U 為系統的內能；T 為溫度（絕對溫度，K）；S 為熵；p 為壓強；V 為體積；H 為焓。

這個過程是復雜的，因為能量交互存在劇烈的非線性，存在現有能量方程不能表達的能量轉換模式和規律，存在能量的逆輸送問題，必須正視這一現象，但是如果把這一過程看成暫態考慮這一不均衡問題在工程界就不是問題，間斷化或者極值化設置對待這一問題，看絕大多數條件是守恒的，也是可以確定的，這就是多少年來的經驗公式，更是大家的共識智慧，推動了社會的進步和技術發展，但是對于霧化噴嘴而言關注交互性肯定有助于噴嘴技術的進步和發展。

6 交互失衡分析

通過有限次濾波孔采用高壓模式霧化噴嘴交互過程分析，可以發現體流體進入有限次濾波孔前，復雜體現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，無序的流體尺度特征而言，配合以足夠的動力，不僅讓機械變形加劇和可靠性下降，甚至讓設計依據數據直接作廢，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”的發生條件，一句話交互性能量積聚現象特別易于使流體進入介尺度的狀態，當系統屬于介尺度范疇時，任何一個干擾或者變動均可導致系統的坍塌，就此而言，噴嘴失效就是本交互態下一個極易發生的常態而已，這一分析也與現場噴嘴霧化現狀非常吻合。

7 結語

忽略交互性設計的噴嘴是現有噴嘴可靠性差的主要原因，現階段以節流模式為主再配合有限非線性通道模型予以修正，進行能量霧化轉化模型建立的霧化噴嘴物理結構模型是薄弱的，該模型中流體的交互性特征很差且無規律可言，長期連續工作過程中流體很難體現噴嘴設計理論與應用的一致性，因此該理論指導下構造的物理模型霧化噴嘴其工業化效果很差；不能滿足流體霧化應用需要，流體交互性在霧化噴嘴設計中的關鍵作用必須予以重視和體現，無疑流體塑性因子這一指標必須在實驗和設計中放到一個重要的位置予以考慮。