Effect of inlet water vapor mass fraction on flow characteristics in Laval nozzle

喷嘴 入口 马赫数 质量分数 冷凝 水蒸气 流量系数 机械 化学 超音速 质量流 材料科学 热力学 机械工程 物理 工程类 有机化学
作者
Lu Wang,Zhenhua Zhai,Jiansheng Chen,Guanghui Chen,Fei Gao,Jipeng Dong
出处
期刊:International Journal of Chemical Reactor Engineering [De Gruyter]
卷期号:22 (7): 743-757
标识
DOI:10.1515/ijcre-2024-0039
摘要

Abstract The Laval nozzle is an important component of the supersonic cyclone to achieve the change of gas–liquid two-phase, and the condensation characteristics of the Laval nozzle have an important influence on the separation performance of the supersonic cyclone. In this work, the effect of inlet water vapor mass fraction on the condensation characteristics in the Laval nozzle was investigated using numerical simulation and experimental methods by establishing a three-dimensional numerical model of air-water vapor supersonic condensation flow. The flow field structures in the Laval nozzle under different inlet water vapor mass fractions were investigated, including Mach number, pressure, and temperature and the effects of the inlet water vapor mass fraction on the liquefaction characteristics in the Laval nozzle were investigated. In addition, the droplet distribution in the Laval nozzle were also tested by a particle image velocimetry (PIV) experimental system. The comparison of simulation and experimental results indicates that the numerical model established in this work can effectively describe the real flow situation in the Laval nozzle. The results show that the inlet water vapor mass fraction has a little effect on the flow field structure in the Laval nozzle, and has the significant impact on the water vapor condensation characteristics. With increasing the inlet steam mass fraction from 5 % to 12.5 %, the nucleation rate, droplet number, and separation efficiency in the Laval nozzle increase to 4.05 × 10 21 kg −1 s −1 , 3.67 × 10 14 kg −1 , and 79.4 %, respectively, and when further increasing the inlet steam mass fraction to 15 %, these parameters decrease.
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