周艳民，孙中宁，谷海峰，苗壮



自吸式文丘里洗涤器引射特性及其影响因素

周艳民，孙中宁，谷海峰，苗壮

（哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨 150001）

以自吸式文丘里洗涤器为研究对象，基于伯努利方程分析了影响其引射量的主要因素，并通过实验对各因素进行分析验证。结果表明，自吸式文丘里洗涤器的引射量主要取决于吸液口两侧的静压差、截面积、高度差以及液体在流动通道内的阻力系数。当文丘里洗涤器不引射液体时，液体流动通道出口截面上的静压力与喷嘴壁面处的压力相等，远高于喷嘴出口中心和出口平均压力；当文丘里洗涤器引射液体时，气液两相的动量交换作用，会在气液界面处产生额外的压力增量，并以压力波的形式向整个截面传递，导致有效的吸液压差进一步降低。当吸液压差较小时，液体的流通面积和阻力系数对引射量的影响明显，通过增大外套管与喷嘴面积比同时增大喷管出口直径的方法，一方面能够增大液体流通面积，另一方面也减小了液相流动阻力，对于改善液体引射量是有 效的。

自吸式文丘里洗涤器；引射量；静压分布；动量传递

引 言

文丘里洗涤器是一种高效的湿式洗涤器，具有结构简单、操作方便和净化效率高等优点，在工业除尘和气体吸收领域得到广泛应用[1]。根据液体的注入方式，文丘里洗涤器可以分为两种：一种是常见的外喷式，液相依靠外加动力进入洗涤器内部，液相流量能够独立于气相进行调节；另一种是自吸式，这种形式的洗涤器利用气流加速过程在喉部形成的低压，将周围溶液引射到洗涤器内部[2]。相比于外喷式的洗涤器，自吸式文丘里洗涤器具有非能动的特性，更加安全可靠，在核电厂的安全保护系统中得到应用[3]。

文丘里洗涤器的洗涤效率是衡量其性能的主要参数，受到气相流速、尘粒直径、洗涤液雾化特性以及洗涤液流量等参数的影响[4-8]，与常规的外喷式洗涤器相比，自吸式文丘里洗涤器的主要区别在于液相流量受到限制，因此，如何优化结构设计进而提高引射量，是改善自吸式文丘里洗涤器洗涤效率的关键问题。陈修娟等[9]通过数值计算对气气喷射器的引射特性进行研究，指出混合室与喷嘴的直径比是影响引射量的重要因素。王锐[10]针对液气喷射器的引射特性进行了实验研究，结果表明，喷管喉部直径对气体引射量的影响明显。原郭丰[11]通过实验和计算对液液喷射器的引射性能进行了研究，结果显示，喷嘴直径、喉嘴距以及混合段长度是影响引射量的关键参数。但是，关于气液喷射器引射特性的机理研究较少，主要以Sokolov[12]给出的经验计算方法为主，而关于自吸式文丘里洗涤器的引射特性的研究则更为有限。Lehner[13]基于伯努利方程，忽略液相流动阻力，研究了液相流量与吸液口外侧静压之间的关系。王盟等[14]在此基础上，考虑液相在吸液口处的流动阻力，进一步建立了液相流量与吸液口两侧压差之间的关系，但是在计算中，吸液口内侧静压力认为与所在截面的平均静压力相同，忽略了截面上的静压分布，实际上现有文献中关于文丘里洗涤器的大部分理论和计算模型都是以一维假设为前提的[15-18]，只考虑参数沿轴向的变化特性。周艳民等[19]在研究文丘里洗涤器喉部压力特性时指出，在喉部径向方向静压存在明显的分布，受壁面附近流体黏滞效应的影响，靠近壁面处的静压明显高于喉部的平均静压，对于自吸式文丘里洗涤器，静压力是决定吸液量的直接因素，当吸液口靠近壁面时，采用平均静压进行计算显然是不合理的。

本文以洗涤器的吸液口附近区域为研究对象，基于理论推导，对自吸式文丘里洗涤器的引射特性进行研究，分析影响引射量的因素，并通过实验对各影响因素进行验证，给出提高引射量的具体方法。

1 理论分析

自吸式文丘里洗涤器的基本结构及工作原理如图1所示，主要由渐缩喷管和外套管组成，渐缩喷管内为气相的流动通道，喷管与外套管之间的环形空间构成了液相的流动通道。工作气体流经渐缩喷管时，由于气体的膨胀加速作用，在喷管出口处形成低压区，液体在外界环境与喷管出口之间压差的作用下被引射进洗涤器内部。为了研究影响洗涤器引射特性的因素，选取图中截面1、2之间的流体为研究对象，其中截面1为液体进入洗涤器的入口，截面2为喷管出口处气流与液体接触的初始位置。

图1 自吸式文丘里洗涤器结构

沿流体流线方向，列写截面1、2之间流体的总流伯努利方程为

根据连续性方程，进入洗涤器内的液体质量流量为

液体在截面1和2之间流动时的阻力损失为

式(3)中的阻力系数通常表示为与Reynolds数有关的通用表达式[20]

将式(2)～式(4)代入式(1)中，得到液体流量与静压差以及截面积等参数之间的关系

可以看出，自吸式文丘里洗涤器的引射量分别与吸液口两端的静压差、进出口截面积、高度差以及流动通道的阻力系数有关，改善引射量也需要从这些影响因素入手，其中通道的阻力系数是与截面积和高度差有关的函数。

2 实验部分

实验系统如图2所示，主要由空气供应回路、液体循环回路、自吸式文丘里洗涤器以及静压测量系统组成。空气压缩机能够在10～1200 kg·h-1流量范围内为系统提供稳定气源，气流经过储气罐缓冲后进入实验管路，然后流经文丘里洗涤器，进入水洗器的空气流量采用E+H83F型质量流量计测量，测量精度为0.2%。文丘里洗涤器被安装在压力容器内部，采用有机玻璃制成，包含渐缩喷管和外套管，外套管的收缩段开有吸液口并浸没在液位以下，吸液口与液相循环回路相连，在压差的驱动下，液体经过循环回路进入洗涤器内部，液相流量可以通过回路上的阀门进行控制，流量通过IFS4000型电磁流量计测量，测量精度为0.1%。

为了研究式(5)中各因素对引射量的影响，实验中对5种结构的洗涤器进行了对比测试，其中洗涤器1～3使用相同结构的渐缩喷管和相同的入口面积1，而外套管直径3逐渐增加；洗涤器4～5保持外套管直径3不变，渐缩喷管直径1逐渐减小，为了更直观地描述结构变化对液体有效流通面积的影响，定义外套管直径3所在的截面积与喷管直

图2 实验装置

表1 文丘里洗涤器结构尺寸对比

图3 静压测量通道布置图

径1所在截面的面积比为AR，对应图1中的部分尺寸见表1。同时，为了获得吸液口附近的局部静压分布参数，分别在喷管出口截面以及与出口平齐的环形截面布置了静压测量通道，喷管出口的测压点位于中心轴线位置，而环形截面上的测压点（通道1～5）在外套管壁面到喷管壁面之间均匀分布，其中通道5测得的压力同时为喷管壁面和环形通道内侧壁面的压力，通道布置方向与流体流动方向垂直，静压通过3151SG型压力变送器测量，测量精度为0.1%，具体结构如图3所示。

3 实验结果分析与讨论

3.1 喷嘴出口平面上的静压分布特性

图1中截面1、2之间的静压差是液体进入洗涤器的直接动力，截面1处的压力主要取决于压力容器的腔体压力和容器内的液位，而截面2处的压力除了与气流在喷管出口处的膨胀特性有关外，还涉及气液两相之间的相互作用。实验中，首先在不引射流体的条件下，测量了不同流速时喷管出口截面上中心和壁面（通道5）处以及环形截面上静压力的分布特性，分别如图4和图5所示。

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由图4可以看出，喷管中心和壁面之间存在显著的压力分布，相同流速条件下，喷管中心处的静压明显低于壁面处的静压，并且随着流速的增加，差异更加明显，这种压力沿径向的分布规律与文 献[9]中的结论是一致的，主要是由于流体在壁面附近的黏滞效应增强，导致流体的部分动压转换为静

图4 喷管出口压力分布

图5 环形截面压力分布

压。图5中所示结果为截面2上各处的压力分布，可以看出，环形截面上各处的压力值相同，均等于喷管壁面处的静压。此时，环形通道内的流体处于静止状态，为了进一步研究引射流体时截面2上的压力分布特性，分别在引射空气和引射水两种条件下，对喷管出口截面和环形截面处的压力进行测量，引射空气时的结果如图6所示。

可以看到，当洗涤器引射的流体为空气时，喷管中心以及环形截面上各处的压力分布与不引射流体时的结果基本相同，表明引射空气后对喷管出口截面上各处的压力分布影响较小。洗涤器引射水时的结果如图7所示。

可以看到，在引射液体条件下，喷管出口截面中心和壁面处同样存在明显的压力差别，截面2上各处压力相等，均等于喷管壁面处的压力，即自吸式文丘里洗涤器引射液体的有效静压力受到流体在壁面处黏滞效应的影响，远高于喷管中心以及喷管出口的平均压力。进一步对图中不引射流体和引

图6 喷管出口截面压力分布（引射空气）

图7 喷管出口截面压力分布（引射水）

射液体的结果相对比，可以发现，增加液相以后，喷管中心和环形通道内的压力均有所上升，且后者的压力增量略大于前者。这种现象可能是由于两方面原因造成的：一方面增加液相后，两相的摩擦阻力损失增加，当洗涤器出口压力保持不变时，导致测量截面处的压力增加；另一方面，液体在截面2处与喷管出口处的高速气流接触，并被气流瞬间加速，根据动量守恒原理，液体动量的增加将会造成气体流速的降低，导致气液交界面处静压的局部突增，而这一局部变化会以压力波的形式向周围传递。在液相侧，由于截面2处液体的流速不高，并且压力波在水中的传递速度较快，因此截面2上各处压力会产生与气液交界处相同的增量；在气相侧，喷管出口处的气体流速较快，湍流度较高，压力波沿径向的传递过程存在一定耗散损失，但是由于气流处于亚音速状态，压力波仍然能够沿径向传递至喷管中心，因此喷管中心处的压力也相应增加，但增量较液相侧偏小。

3.2 面积比对引射量的影响

由于受到流体在壁面处的黏滞效应以及气液间动量交换作用的影响，使得洗涤器引射液体的有效压差受到限制，为了提高引射量，需要从式(5)中的其他影响因素入手。式中截面1和截面2之间高度差（12）的可变范围有限，对应的重位压头项对整体的影响较小，故而不做进一步研究。而面积1和2是决定动压头的直接因素，同时也是影响液体通道阻力系数的关键参数，因此，对表1中5种结构的文丘里洗涤器进行对比实验。实验中首先对结构1～3进行测试,并固定截面1处液体的流通面积1不变，得到3种结构洗涤器的引射量随流速的变化关系如图8所示。

图8 不同面积比下的引射量（d1不变）

从图中结果可以看出，随着面积比AR的增加，文丘里洗涤器的引射量获得了大幅提升。由前述分析可知，引射量增加，喷嘴出口处气液间的动量交换作用增强，将会导致截面2处静压力的进一步升高，即引射液体的有效压差进一步减小。根据式(5)中流量与压差等参数的关系，当吸液口两端压差受到限制时，液体流动通道的截面积和阻力系数对引射性能至关重要，采用增大面积比AR的方法，一方面能够增大液体的流通面积，另一方面也减小了液体的流动阻力，这对于提升引射量是有效的。

进一步对结构4、5进行实验测量，得到不同流速下引射量的结果如图9所示。将结果与图8中的数据对比可以看到，结构4和1对应的文丘里洗涤器具有近似相同的面积比，但是结构4的引射量明显偏小，结构5与2之间也存在同样的规律。这种现象主要是由于不同结构之间液体流通面积的

图9 不同面积比下的引射量（d3不变）

差异造成的，液体在截面2处有效流通面积的计算方法如式(6)所示，可以看出，液体的有效流通面积不仅与面积比AR有关，还取决于喷管的出口直径1，面积比相同时，喷管出口直径越大，相应的有效流通面积也越大，因此结构1和2的引射特性比相同面积比时结构4和5的引射特性更出色。

4 结 论

通过对影响自吸式文丘里洗涤器引射量主要因素的研究，得到以下结论。

（1）自吸式文丘里洗涤器的引射量主要与吸液口两侧的静压差、截面积、高度差以及液相流动通道的阻力系数有关。

（2）喷管出口截面存在显著的压力分布特性，靠近壁面处的压力明显高于中心处的压力。在洗涤器不引射流体的条件下，液体流动通道出口截面上的各处压力与喷管壁面处的压力相一致；当洗涤器引射液体时，由于气液两相的动量交换作用，会在气液界面处产生额外的压力增量，并以压力波的形式传递至整个截面，导致有效的吸液压差进一步 降低。

（3）当自吸式文丘里洗涤器引射液体的有效压差受到限制时，液体流通面积和阻力系数对引射量的影响明显，采用增大外套管与喷嘴面积比同时增大喷管出口尺寸的方法，一方面能够增加流通面积，另一方面也减小了液相流动阻力，对于改善引射量是有效的。

符 号 说 明

Aeff——液相有效流通面积，m2 A1，A2——分别为截面1和截面2的横截面积，m2 AR——截面2处外套管与喷嘴出口的面 积比 a，b——与截面1和2之间流道结构有关的常数 D1——截面1处的当量直径，m d1，d2，d3，d4——分别为喷管出口、入口和外套管入口，喉部直径，m g——重力加速度，m·s-2 H1，H2——分别为截面1和截面2相对于喷嘴入口面的高度，m Ml——液体质量流量，kg·s-1 n——测量次数 P1，P2——分别为截面1和截面2处的静压力，Pa ΔPh——液相在截面1和截面2之间的阻力损失，Pa Re——液相在截面1和截面2之间的流动Reynolds数 u1，u2——分别为截面1和截面2处液体的平均流速，m·s-1 θ——液体在截面2处的流动方向与洗涤器轴线之间的夹角 μ——液体的动力黏度，Pa·s ξ——截面1和截面2之间流道阻力系数 ρ——液体密度，kg·m-3

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Injection performance and influencing factors in self-priming Venturi scrubber

ZHOU Yanmin, SUN Zhongning, GU Haifeng, MIAO Zhuang

(Nuclear Safety and Simulation Technology Key Laboratory of National Defense Disciplines, Harbin Engineering University,
Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The main factors that affect injection performance of self-priming Venturi scrubber were analyzed based on the Bernoulli equation, the influence of these factors was further verified by experiment. Injection flow rate of self-priming Venturi scrubber depended mainly on static pressure differential, cross-sectional area, height difference and liquid channel resistance coefficient on both sides of suction port. In the case of no injection, the static pressure at outlet cross section of liquid flow was equal to the pressure at nozzle wall, higher than the average pressure and center pressure at nozzle exit. In the case of injecting liquid, an additional pressure increment was generated at gas-liquid interface because of momentum exchange. Pressure increment would spread around in the form of pressure waves to the entire cross-section, resulting in further reduction of effective pressure difference for injection. When effective injection pressure difference was limited, liquid channel area and resistance coefficient became important for injection flow. On this occasion，it was more effective to enlarge the area ratio between nozzle and sleeve and enlarge nozzle diameter, to increase liquid channel area and reduce resistance coefficient, which was effective in increasing liquid flow.

self-priming Venturi scrubber; injection flow rate; static pressure distributions; momentum transfer

date: 2014-07-28.

10.11949/j.issn.0438-1157.20141131

TL 334

A

0438—1157（2015）01—0099—06

2014-07-28收到初稿，2014-10-09收到修改稿。

联系人及第一作者：周艳民（1987—），男，博士研究生。

ZHOU Yanmin, vincizhym@126.com