雙層霧化器流場的模擬研究

劉 楊， 李 周， 張國慶， 許文勇，袁 華， 劉 娜， 鄭 亮， MI J

(1.北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室,北京100095；2.北京航空材料研究院3D打印研究與工程技術(shù)中心,北京100095；3.School of Engineering,University of Hull,Hull UK)

雙層霧化器流場的模擬研究

劉 楊1，2， 李 周1，2， 張國慶1， 許文勇1，2，袁 華1，2， 劉 娜1，2， 鄭 亮1，2， MI J3

(1.北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室,北京100095；2.北京航空材料研究院3D打印研究與工程技術(shù)中心,北京100095；3.School of Engineering,University of Hull,Hull UK)

采用數(shù)值模擬的方法對一種低壓雙層霧化器(Double Layer Atomizer)氣流場和霧化過程進行了研究,分析了上層霧化器對氣流循環(huán)區(qū)域以及金屬液流霧化的影響。結(jié)果表明：上層霧化器的引入能有效抑制氣流循環(huán)區(qū)域的不良影響,有利于金屬液流的穩(wěn)定流動；考慮到上層霧化器壓力的增大會引起氣流循環(huán)區(qū)域壓力的增大以及流量的增加,選擇0.15MPa/0.68MPa～0.2MPa/0.68MPa的壓力條件較為有利；該雙層霧化器液流破碎過程存在一定的類似于緊密耦合式霧化器(Close-Coup led Atomizer)的膜狀破碎方式,破碎液滴在空間飛行發(fā)散范圍和其粒徑大小有關(guān)。

雙層霧化器；數(shù)值模擬；氣流循環(huán)區(qū)域；液流破碎

航空用粉末盤件對高溫合金粉末的粒度、純凈度以及球形度等有嚴(yán)格的要求,目前主要采用氣體霧化制粉工藝來獲得滿足要求的高溫合金粉末。氣體霧化制粉過程包含液流的破碎和液滴飛行凝固兩個階段,其中液流的破碎階段決定著最終粉末的形態(tài)和分布,而霧化器是控制該階段的核心部件［1,2］。本工作研究的雙層霧化器屬于自由降落式霧化器結(jié)構(gòu)(Free-fall atom izer),金屬熔體在重力作用下離開導(dǎo)流系統(tǒng)飛行一定距離后與高速惰性氣體作用發(fā)生霧化,傳統(tǒng)單層自由降落式霧化器,由于氣流交匯會產(chǎn)生氣流循環(huán)區(qū)域,超過臨界值會對金屬液流的流動產(chǎn)生干擾,容易引起液流的飛濺和粘掛,雙層霧化器在單層自由降落式霧化器基礎(chǔ)上引入上層穩(wěn)流霧化器,從而克服了上述缺點［3,4］。目前國內(nèi)外對霧化的研究主要針對緊密耦合式霧化器(Close-coupled atomizer),對雙層霧化器氣液兩相流場的研究相對較少［5～11］,在此背景下本工作采用數(shù)值模擬的方法針對一種低壓雙層霧化器霧化過程進行了研究,探討了氣流場、氣液兩相流場以及液滴軌跡的特點。

1 模型設(shè)計

采用二維方法對流場進行研究,霧化器為環(huán)孔式結(jié)構(gòu)(Discrete-jet),上下層分別為φ1mm×30mm和φ5mm×20mm,為了在二維模擬中保持流量一致性,分別將上下層環(huán)孔結(jié)構(gòu)換算為0.33mm和2.79mm的環(huán)縫結(jié)構(gòu)(Annular-slit)如圖1所示。計算區(qū)域600mm×125mm,雙層霧化器尖端夾角(A-pex Angle)分別為0°和28°,導(dǎo)流管伸入長度(Melt tip length)為14mm。二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和邊界條件如圖2所示,采用軸對稱的方式進行計算,超音速氣體動力學(xué)分析要求較高精度,因此在計算開始一段時間后對網(wǎng)格進行自適應(yīng)處理,同時對近壁面網(wǎng)格加密保證邊界層計算精度。

圖1 霧化器模型示意圖()Fig.1 Schematic of atomizermodel()

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic of simulation grid

模擬使用的湍流模型選擇較為精準(zhǔn)的K-epsilon-realizable模式,CFD模型初始加載壓力(上層壓力/下層壓力)選擇0MPa/0.68MPa,0.15MPa/ 0.68MPa,0.2MPa/0.68MPa和0.25MPa/0.68MPa四種情況,霧化介質(zhì)選擇氬氣,按可壓縮氣體處理。兩相流模擬選擇液態(tài)Inconel718(國內(nèi)牌號為GH4169)高溫合金為第二相流體,其液態(tài)物理參數(shù)如表1所示。

表1 Inconel 718液態(tài)物理參數(shù)［12］Table 1 Physical parameters of liquid Inconel 718［12］

2 模擬結(jié)果

2.1 CFD速度云圖

模擬采用松弛因子逐步逼近的方式,迭代50000次以上保證殘差波動小于10-3,其速度云圖如圖3所示。這種氣體流動行為屬于同軸交叉射流范疇,利用氣體壅塞作用通過噴嘴加速流出,非同源射流在軸線下游位置發(fā)生交匯。該霧化器因其自身用途沒有設(shè)計帶有匯聚發(fā)散型結(jié)構(gòu)環(huán)孔結(jié)構(gòu)(Convergent-divergent jet),匹配較低的工作壓力,因此鏈狀形貌并不明顯,不同于HPGA霧化器,該雙層霧化器氣流場主射流位置沒有出現(xiàn)弓形馬赫盤［5,6］。四種壓力條件下主射流區(qū)域沒有明顯的區(qū)別,發(fā)散角均保持在12°左右,上層霧化器壓力的不同引起的變化主要集中在上下層霧化器中間的區(qū)域,隨著上層壓力的增大,上層氣流強度增加,對氣流循環(huán)區(qū)域(Recirculation zone)產(chǎn)生影響。

2.2 軸線速度和壓力分布

通過模擬計算了模型軸線氣流速度,以軸線0～200mm為研究對象,其分布曲線如圖4a所示。下層霧化氣體交匯產(chǎn)生的氣流循環(huán)區(qū)域存在于上下層霧化器之間,壓力條件為0MPa/0.68MPa時該氣流循環(huán)區(qū)域速度較其余三種壓力條件高,在軸線90mm位置附近達(dá)到最大值,此后氣流速度急劇下降,在軸線115mm附近位置降低至零,形成速度駐點(Stagnation point)。駐點下游位置為氣體主射流區(qū)域,與上游氣流循環(huán)區(qū)域相比速度分布曲線出現(xiàn)了波動的現(xiàn)象,并且整體速度隨上層霧化器壓力的增大而增大?？梢钥闯錾蠈屿F化器的引入對氣流循環(huán)區(qū)域和主射流區(qū)域均產(chǎn)生了影響,這種影響隨壓力的增大而增大。通過對比可以發(fā)現(xiàn)在氣流循環(huán)區(qū)域隨著上層霧化器壓力的提高,速度分別平均降低了28m/s (0MPa/0.68MPa～0.15MPa/0.68MPa),14m/s (0.15MPa/0.68MPa～0.2MPa/0.68MPa),12m/s (0.2MPa/0.68MPa～0.25MPa/0.68MPa),這也說明開啟上層霧化器能有效的降低循環(huán)區(qū)域的氣流速度,但是隨著壓力的繼續(xù)增大這種降低效果逐漸減弱。

圖4b為軸線靜壓力分布曲線,與軸線速度分布曲線相反,四種壓力條件下在氣流循環(huán)區(qū)域壓力先降低后升高,在速度駐點位置達(dá)到最大值,同時主射流區(qū)域分布曲線也出現(xiàn)了波動的情況,這種波動和速度分布曲線波動情況相反。對比氣流循環(huán)區(qū)域的壓力,分別平均增加了0.002MPa(0MPa/0.68MPa～0.15MPa/0.68MP),0.001MPa(0.15MPa/0.68MPa～0.2MPa/0.68MPa),0.007MPa(0.2MPa/0.68MPa～0.25MPa/0.68MPa),說明上層霧化器的開啟以及壓力的增大會提高循環(huán)區(qū)域的壓力,但是這種提高幅度較小。

2.3 兩相流破碎模擬

采用VOF(Volume of fluid)氣液兩相流模型對金屬液流的破碎進行了模擬,霧化壓力選擇0.2MPa/0.68MPa,測量實際設(shè)備澆注的中間包高度,計算得到初始Inconel 718合金液流加載絕對壓力為0.114MPa,重力加速度沿x軸方向為9.8m/ s2。考慮到破碎過程為隨時間變化的流場,因此采用非定常模式進行計算,模擬結(jié)果如圖5所示。模擬過程在時間步長為0.3507s時開啟上下層霧化器,在此之前Inconel 718合金液流一直處于自由流動狀態(tài),時間步長為0.3527s時合金液流在氣流作用下發(fā)生了非穩(wěn)定波動(Unsteady xave),這種波動隨著迭代步長的增大而逐漸增強,在時間為0.3547s時液流已經(jīng)發(fā)生了破碎現(xiàn)象,同時柱狀液流末端出現(xiàn)了橫向擴展的液膜(Liquid membrane),時間為0.3567s時液膜變形向下扭曲,這表明在此種條件下液流出現(xiàn)了類似于緊密耦合式霧化器的液膜破碎方式［13］。

圖4 軸線速度和壓力分布曲線 (a)速度曲線；(b)壓力曲線Fig.4 Velocity and pressure curves in axis position (a)velocity curves；(b)pressure curves

2.4 液滴軌跡模擬

采用離散相模型(Discrete phase model)對霧化產(chǎn)生的液滴進行軌跡模擬,離散粒子選用實際霧化產(chǎn)生的高溫合金粉末,其SEM形貌(-40目)和粒度分布如圖6和圖7所示,由于工作壓力沒有加載到閉渦壓力(Wake-closure pressure),因此其粉末粒度較粗,這也和Ting［5］等人的結(jié)論一致。和Zeoli［14］,趙文軍［15］等人的將導(dǎo)流管口設(shè)為粒子釋放平面的設(shè)計不同,根據(jù)VOF模擬結(jié)果選擇計算區(qū)域x =70mm位置為液滴釋放平面(Release surface),該位置也是液膜形成位置,液滴受氣流的影響其軌跡如圖8所示。受氣流循環(huán)區(qū)域的影響,少量粒度小于200μm的液滴出現(xiàn)了回旋飛行行為,而粒度大于200μm的液滴則大部分沒有出現(xiàn)這種軌跡。在液滴釋放平面下游位置,各粒度段液滴軌跡類似,軌跡發(fā)散范圍和霧化氣體主射流較為一致,保持在13°左右,軌跡圖還顯示下游位置粒度小的液滴發(fā)散范圍更大,較粗的液滴則集中度較好。在氣流場、兩相流和液滴軌跡模擬的基礎(chǔ)上,采用此結(jié)構(gòu)霧化器進行霧化試驗,霧化錐發(fā)散角和模擬結(jié)構(gòu)吻合(見圖9)。

圖5 液流破碎模擬Fig.5 Liquid disintegration simulation

圖6 高溫合金粉末形貌Fig.6 Particle morphology of superalloy poxder

圖7 粒度分布Fig.7 Particle size distribution

3 結(jié)果討論

圖8 液滴飛行軌跡圖Fig.8 Droplets tracks x ith different diameters

圖9 霧化錐形貌Fig.9 Atomization cone of atomization process

對單相氣流場氣流循環(huán)區(qū)域進行詳細(xì)分析,選擇0MPa/0.68MPa和0.2MPa/0.68MPa情況對比分析,圖10a和圖10b分別為0MPa/0.68MPa和0.2MPa/0.68MPa壓力條件下速度流場分析圖。壓縮氣體通過噴嘴進入爐體,由于壓差的作用,在噴嘴出口處會形成膨脹波簇(Expansion fans),氣體經(jīng)過膨脹波速度增大壓力降低,以達(dá)到和環(huán)境壓力相匹配的目的,此時氣體的流速已經(jīng)屬于超音速流動。氣體繼續(xù)膨脹使得環(huán)境壓力大于氣體靜壓力,此時在壓差作用下開始減速,膨脹波簇經(jīng)過自由邊界(Free boundary)反射匯聚形成壓縮波(Compression xave),氣流經(jīng)過壓縮波速度減小壓力升高,膨脹波和壓縮波的交替出現(xiàn)使得氣流不斷地加速和減速,因此形成了鏈狀形貌云圖。由于射流間斷面的不穩(wěn)定作用,射流邊界會形成渦旋從而向兩側(cè)擴展［16］,膨脹波和壓縮波的反射被限制在射流內(nèi)部的音速邊界(Sonic boundary)內(nèi),并隨著傳播距離的增大逐漸消失。四種壓力條件下,下層霧化壓力均較小(低于3MPa),氣流交匯后對膨脹波和壓縮波的干擾較小,沒有出現(xiàn)激波和弓形馬赫盤,同時異源氣體膨脹波的相干作用引起了圖4a和圖4b中的軸線主射流區(qū)域速度和壓力的波動現(xiàn)象(Axis oscillation zone),這是因為氣體在音速邊界內(nèi)部的膨脹和壓縮作用對軸線位置的氣體流動起到相反的作用,即軸線混合氣體和兩側(cè)音速邊界內(nèi)部的氣體速度變化相反。

圖10 不同壓力條件下速度流場分析圖 (a)0MPa/0.68MPa；(b)0.2MPa/0.68MPaFig.10 Schematic depiction of gas flox fields x ith different pressure conditions (a)0MPa/0.68MPa；(b)0.2MPa/0.68MPa

氣體通過噴嘴流入爐體內(nèi),屬于紊動射流范疇,由于粘性剪切力力的作用,在自由邊界附近會形成一系列紊動渦流(Turbulent eddies),這些渦流的存在使得氣體具有旋轉(zhuǎn)動量,從而改變部分氣體的流動的方向。射流交叉后,在上下層霧化器之間紊動渦流作用加強,較多的氣體改變了傳播方向,聚集形成了循環(huán)區(qū)域。0MPa/0.68MPa壓力條件下氣體循環(huán)區(qū)域范圍較大,影響到了導(dǎo)流管末端位置(圖10a)；0.2MPa/ 0.68MPa條件下由于上層氣流的引入,也形成紊動渦流,如圖10b中紅色虛線所示,這些上層氣流形成的紊動渦流將氣流循環(huán)區(qū)域限制在較小的范圍內(nèi),從而降低了氣流循環(huán)區(qū)域?qū)?dǎo)流管末端的影響。

圖11為局部區(qū)域的流線分布,左半邊部分是壓力條件為0MPa/0.68MPa的流線圖,右半邊部分是壓力條件為0.2MPa/0.68MP的流線圖。可以看出上層霧化器開啟改變了循環(huán)區(qū)域的流線分布,將氣流循環(huán)區(qū)域流線“推”向下游位置,對導(dǎo)流管末端區(qū)域影響大為減小,有利于金屬液流的穩(wěn)定流動。圖12為0.15MPa/0.68MPa,0.2MPa/0.68MPa,0.25MPa/ 0.68MPa三種壓力條件上層霧化器氣體質(zhì)量流率圖,加載0.15MPa的壓力質(zhì)量流率為0.41kg/m in,壓力加載到0.2MPa和0.25MPa氣體質(zhì)量流率分別增加了49.3%和91.7%,考慮到圖4a和圖4b中壓力條件對氣流循環(huán)區(qū)域速度和壓力的影響幅度,選擇0.15～0.2MPa的上層霧化器壓力能在保證霧化效率的同時達(dá)到節(jié)約成本的目的。

圖11 速度流線圖Fig.11 Schematic of velocity stream line

圖12 上層霧化器氣體流率圖Fig.12 Primary atomizer gas flox rate

該霧化器單相氣流場較為穩(wěn)定,因為下層霧化器沒有達(dá)到閉渦壓力(WCP),因此沒有出現(xiàn)霧化脈動的現(xiàn)象［17］,隨著金屬液流的流入,這種平衡被打破。圖13為模擬液流破碎示意圖,左半邊是金屬液流流場,右半邊為對應(yīng)的氣流場局部流線,在重力和上層氣流牽引作用下金屬液流通過導(dǎo)流管末端向下游流動,氣流循環(huán)區(qū)域受液流阻礙范圍大幅縮小,同時其內(nèi)部壓力不斷增大,一定程度后使得液流末端橫向擴展形成液膜,液膜受下層霧化器主射流的沖擊變?yōu)橐旱巍脑撿F化器制取的粉末中發(fā)現(xiàn)了較大的片狀體(圖14),這也間接說明了該霧化器包含上述液膜破碎過程。

4 結(jié)論

(1)射流邊界紊動渦流改變氣體運動方向,在上下霧化器之間形成氣流循環(huán)區(qū)域。上層霧化器的引入會改變氣流流線分布,降低氣流循環(huán)區(qū)域速度,對氣流循環(huán)區(qū)域起抑制的作用,有利于金屬液流穩(wěn)定流動至主霧化區(qū)域。

圖13 液流破碎示意圖Fig.13 Schematic of liquid disintegration

圖14 膜片SEM形貌Fig.14 SEM image of sheet

(2)上層霧化器壓力增大會在一定程度上引起氣流循環(huán)區(qū)域的壓力增大,反而不利于金屬液流流動,同時壓力的增大也會引起氣流流量的增加,因此在該雙層霧化器下層霧化壓力為0.68MPa的條件下,選擇上層霧化器壓力在0.15～0.2MPa范圍內(nèi)較為有利。

(3)在上層霧化器引流的作用下,金屬液流受氣流循環(huán)區(qū)域的影響出現(xiàn)類似膜狀破碎的霧化方式,破碎產(chǎn)生的液滴飛行軌跡和其粒徑有關(guān),粒徑越粗液滴飛行越集中,粒徑越細(xì)飛行越發(fā)散。

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Flow Field of Double Layer Atom izer

LIU Yang1,2, LI Zhou1,2, ZHANG Guo-qing1, XU Wen-yong1,2, YUAN Hua1,2, LIU Na1,2, ZHENG Liang1,2, MI J3
(1.Science and Technology on Advanced High Temperature Structural Materials Laboratory,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China；2.3D Printing Research and Engineering Technology Center,Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095,China；3.School of Engineering,University of Hull,Hull UK)

Using a computational fluid dynamics(CFD)softx are,the gas flox field and atomization process of an lox pressure double layer atomizer xere investigated to discuss the effect of primary atomizer on gas recirculation zone and liquid metal atomization.Results shox that primary atomizer can restrain adverse effect of the recirculation zone,xhich is beneficial to liquid metal flox.Considering that increasing primary atom izer pressure could raise gasmass flox rate,0.15MPa/0.68MPa-0.2MPa/0.68MPa conditions are beneficial.The liquid atomization process of this double layer atomizer contains membrane disintegration process xhich is similar to closecoupled atom izer,and the drop lets distributions relate to their diameters.

double layer atomizer；numerical simulation；air recirculation zone；liquid disintegration

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.5.010

TP391.9

A

1005-5053(2015)05-0063-07

2015-01-15；

2015-05-15

國家863項目(2012AA03A514)；國家863項目(2013AA031103)；國家自然基金項目(51301157)；國家國際科技合作專項資助項目(2012DFA50240)

劉楊(1990—),男,碩士,主要從事霧化制粉技術(shù)研究和粉末冶金產(chǎn)品開發(fā),(E-mail)y-liu621@126.com。