氣泡霧化噴嘴氣液兩相流體混合流動的數(shù)值模擬

袁越錦, 譚禮斌, 徐英英, 袁月定

(1.陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安　710021； 2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安　710049； 3.宜春學院 數(shù)學與計算機科學學院， 江西 宜春　336000)

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氣泡霧化噴嘴氣液兩相流體混合流動的數(shù)值模擬

袁越錦1，2, 譚禮斌1, 徐英英1, 袁月定3

(1.陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安710021； 2.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安710049； 3.宜春學院 數(shù)學與計算機科學學院， 江西 宜春336000)

摘要：利用ANSYS建立了氣泡霧化噴嘴的三維模型,應用CFD技術模擬分析了不同氣液比和噴嘴結構參數(shù)等因素對氣液混合流動的影響.結果表明：建立的模型可有效模擬氣液混合流動過程；氣液混合流動中存在一個最佳氣液比使氣液混合最好；混合室長度越長不利于氣液混合；小孔數(shù)目越多，產(chǎn)生的氣泡越多；小孔直徑較小，混合較好；進氣直徑大，進液直徑小，出口直徑越小，越有利于氣液混合.

關鍵詞：氣泡霧化噴嘴； CFD三維數(shù)值模擬； 氣液兩相內部流動

0引言

氣泡霧化是在機械霧化、介質霧化等基礎上積極探索開發(fā)出來的一種更高效、更經(jīng)濟、更適用的燃料油霧化技術.由于噴嘴的尺寸小，結構復雜，其內部的流動難以通過傳統(tǒng)的物理模擬實驗進行可視化研究，因此無法通過一般實驗研究研究其內部流場的流動情況，至今其內部流動機理尚未完全清楚.

目前國內外有不少研究者[1-7]對氣泡霧化噴嘴進行了實驗研究和數(shù)值模擬分析，如河北工業(yè)大學劉聯(lián)勝[8]利用高速攝影儀、攝像頭和照相機對氣泡霧化噴嘴混合室內的兩相流型以及噴嘴出口下游噴霧的穩(wěn)定性進行實驗研究；岳明、徐行等[9]通過對離心式噴嘴內氣液兩相流動數(shù)值模擬，應用VOF方法捕獲氣液分界面，計算不同壓降下離心式噴嘴的氣液兩相流動狀況，研究了不同壓降對噴嘴內流動的影響.何志霞[10]等通過三維模擬計算了噴嘴結構對內部流動特性影響；金如山等[11]對空氣霧化噴嘴在空氣流速、氣液比、噴嘴幾何尺寸等參數(shù)下的噴霧特性做了研究，實驗表明空氣流速和氣液比是影響SMD(SauterMeanDiameter,索特平均直徑)最主要的因素.以上研究大都對氣泡霧化噴嘴進行了實驗研究，簡要分析了噴嘴內部流場的分布特性.

作為一種研究流體流動的新方法，計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)在各個工業(yè)領域得到越來越廣泛的應用.目前CFD方法已開始成為工程裝置優(yōu)化及放大的定量設計工具，它不僅能給出設備內大致的流場結構,而且能提供一些實驗不能或者很難測定的信息[12].

本文擬采用計算流體動力學(CFD)方法對氣泡霧化噴嘴氣液兩相混合流體流動進行三維數(shù)值模擬，查看噴嘴內部流場分布，深入的了解氣泡霧化噴嘴的內部流動特性，為后續(xù)噴嘴噴霧特性的研究以及氣泡霧化噴嘴結構的整體設計制造提供理論依據(jù)和技術參數(shù).

1氣泡霧化噴嘴工作原理與物理模型

氣泡霧化噴嘴的基本結構主要包括進液管、進氣管、中心多孔管和噴嘴出口四部分(如圖1所示)，其中中心多孔管上開有注氣小孔，其功能是氣體通過小孔流入中心多孔管與液體混合.該噴嘴的工作原理為:液體由進液管道進入，然后流入中心多孔管，作為霧化介質的空氣從進氣管進入，然后經(jīng)過中心多孔管壁面的小孔以氣泡形式進入到中心管中，接著與進入到多孔管的液體進行混合形成氣泡兩相流，中心多孔管間接發(fā)揮了混合室的功能，氣液兩相流在中心多孔管內充分混合后直接從氣泡霧化噴嘴出口噴出形成霧化.

此種霧化方式相比于其它常規(guī)的霧化方式具有霧化效果好、噴霧粒徑小、霧滴平均大小不受流體粘度影響以及燃燒應用方面具有較低的污染物排放等特點.為了更好的模擬氣泡霧化噴嘴內部兩相流動流場的分布，查看噴嘴內部流場分布，深入的了解氣泡霧化噴嘴的內部流動特性，本文采用ANSYS建立氣泡霧化噴嘴的三維物理模型并進行網(wǎng)格劃分，最終建立的氣泡霧化噴嘴三維模型及網(wǎng)格劃分后的計算流體域模型如圖2所示.

圖1　氣泡霧化噴嘴結構示意圖(外氣內液混合形式)

(a)計算域模型　　　(b)網(wǎng)格劃分圖圖2　計算域模型及網(wǎng)格劃分圖

2數(shù)學模型

2.1控制方程

本文假設氣泡霧化噴嘴混合流動中的流體流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動，流體介質為不可壓縮流體，流動過程中忽略熱量的交換，則由質量、動量守恒定律可以寫出如下控制方程：

連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ是密度，單位kg/m3；u、v、w是速度矢量u在x、y、z 方向的速度分量，單位m/s；t 是時間，單位s.

動量方程：

(2)

式中，p是流體壓力，單位是Pa；τxy、τxx、τxz是粘性應力τ的應力分量，單位是Pa；Fx、Fy、Fz為體力，若微元體中所有的體力僅僅只有重力，且z軸垂直向上，則有Fx=Fy=0，F(xiàn)z= -ρg.

2.2數(shù)值計算模型

在數(shù)值模擬計算中,本文采用標準k-ε湍流模型進行計算，該模型的方程可以表述為[13,14]：

(3)

式中Gk是由于速度梯度而產(chǎn)生的湍動能項，Gb是由于浮力而產(chǎn)生的湍動能項，YM表示可壓縮湍流中產(chǎn)生的脈動擴張項，C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，σk,σε分別為與湍動能k和耗散率相對應的Prandtl數(shù)，Sk和Sε為用戶自定義的源項.

3模型求解

本文采用穩(wěn)態(tài)模擬，對于氣液兩相流，采用混合模型，氣液兩相都設置為連續(xù)性流體，設置氣液兩相間的表面張力系數(shù)為0.073N/m.液體入口和氣體入口邊界條件皆設置為速度入口邊界條件，模擬過程給定氣體速度為7m/s，液體速度為3.5m/s.出口邊界條件設置為壓力型出口條件，出口為截面平均靜壓.模擬時設置好氣液兩相的物理屬性參數(shù).本文所采用的介質是空氣和水(25 ℃)，流體材料的相關物理性質可以通過CFX-SolverManger中的求解計算顯示區(qū)獲得，相關物性參數(shù)如表1所示.

表1　流體物性參數(shù)(25 ℃)

4模擬結果及分析

4.1噴嘴出口速度變化曲線

利用文獻[15]的實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬分析所得到的結果進行對比，得出圖3所示的模型驗證曲線圖.從圖3中可以看出，噴嘴出口速度的模擬值和實驗數(shù)據(jù)基本吻合，其最大相對誤差約為7.2%，這從宏觀上表明，本文建立的物理模型有效.

圖3　噴嘴出口速度模擬值與實驗值對比曲線

4.2氣液比對氣液兩相混合流動的影響

本次模擬采用的是氣體流量固定，調整液體流量使氣液比變化的方法[16]進行模擬分析，氣體流量為25m3/h,對ALR在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08的工況下進行了數(shù)值模擬.根據(jù)模擬結果繪制出不同氣液比下氣速的增長曲線(如圖4所示)，液速的增長曲線(如圖5所示).從圖中可以看出，不同氣液比下氣速、液速隨著軸向距離的增加，速度逐漸增大，出口時速度達到最大值，符合伯努利方程.

圖4　不同氣液比下氣速的增長曲線

圖5　不同氣液比下液速的增長曲線

根據(jù)模擬結果分析得到氣泡霧化噴嘴氣液兩相體積分數(shù)分布如圖6所示.體積分數(shù)分布云圖顯示了氣液混合后氣相和液相所占的體積,充分反映了氣液混合情況.氣液兩相混合流動過程中存在一個最佳氣液比使得氣液兩相混合流動情況最佳，一般情況氣液比的選擇都低于0.1.從圖6中看出，

每個氣液比下的組分體積分數(shù)均能滿足其要求的基本條件，但是在氣液比為0.04和0.06的情況下，氣液混合流動不是很好，在氣液比為0.05的情況下，氣液混合流動較好,可視為最佳氣液比.

(a)ALR=0.04

(b)ALR=0.05　　(c)ALR=0.06

(d)ALR=0.07　　(e)ALR=0.08圖6　不同氣液比下氣相體積分數(shù)分布云圖

4.3噴嘴結構參數(shù)對氣液兩相混合流動的影響

4.3.1不同直徑參數(shù)對混合流動的影響

注氣直徑(氣體入口直徑)采用15、20、25、30、35(mm)進行模擬，根據(jù)模擬結果繪制氣速沿軸向變化曲線(如圖7所示).從圖7中可以看出，隨著注氣直徑的增長，氣體速度沿著軸向的增長趨勢越陡，氣體速度最終達到的數(shù)值越大.

圖7　不同注氣直徑下氣速變化曲線

注液直徑(液體入口直徑)用10、12、14(mm)進行模擬，根據(jù)模擬結果繪制液速沿軸向變化曲線(如圖8所示).從圖8中可以看出，隨著注液直徑的增長，液體速度沿著軸向的增長越快，液體速度最終達到的數(shù)值越大，同理可以根據(jù)模擬結果分析得出隨著注液直徑的增長，氣體速度的增長也越快，到最后達到的速度最大值相差不大.

圖8　不同注液直徑下液速變化曲線

注氣小孔直徑(中心多孔管上小孔的直徑)用1、1.5、2(mm)進行模擬，根據(jù)模擬結果繪制壓力沿軸向的變化曲線(如圖9所示).從圖9中可以看出，沿著軸向壓力逐漸降低，符合氣泡霧化噴嘴噴霧的要求.小孔直徑過大, 容易造成混合過程中氣泡形成的體積過大, 從而產(chǎn)生的氣泡很容易上浮且在混合部位聚集, 最終會造成氣體、 液體的分離現(xiàn)象，影響后續(xù)氣泡霧化噴嘴的氣泡霧化質量；減小氣孔直徑，在混合室內部經(jīng)氣液充分混合后生成的氣泡體積較小,所受液體的浮力減小, 在液體流動的速度很低的情況下,所產(chǎn)生的氣泡就可比較輕易地被液體夾帶,有利于氣泡霧化.選擇氣體小孔注入直徑，即中心多孔管上小孔的開孔直徑時，一般將小孔直徑選定在0.2～4mm范圍內，這種范圍內的中心多孔管上小孔的直徑都能滿足氣泡霧化噴嘴噴霧的基本要求.

圖9　不同注氣小孔直徑下壓降變化曲線

出口直徑用8、10、12、14、16(mm)進行模擬，根據(jù)模擬結果繪制噴嘴出口速度的變化散點圖(如圖10所示).從圖10中可以看出，隨著出口直徑增大，出口速度降低，符合連續(xù)性方程.出口直徑增大不利于氣泡霧化噴嘴噴霧，影響霧化質量，因此進行噴嘴設計時應根據(jù)實際情況盡量選取出口直徑小的噴嘴，有利于提高氣泡霧化噴嘴的噴霧質量.

圖10　不同出口直徑下噴嘴速度出口值

4.3.2不同注氣小孔數(shù)對混合流動的影響

本文采用注氣孔數(shù)為64、120、160的三種噴嘴結構進行模擬，得到氣相體積分數(shù)分布云圖(如圖11所示).從圖11中可以看出，小孔數(shù)目的增加，有利于氣泡霧化噴嘴的氣液兩相混合，提高氣泡霧化噴嘴噴霧的質量.

(a)64孔氣相體積分數(shù)分布云圖

(b)120孔氣相體積分數(shù)分布云圖

(c)160孔氣相體積分數(shù)分布云圖圖11　不同注氣小孔數(shù)下氣相體積分數(shù)分布云圖

4.3.3不同混合室長度對混合流動的影響

(a)40 mm　　　　　(b)60 mm

(c)75 mm　　　　　(d)90 mm圖12　不同混合室長度下氣相體積分數(shù)分布云圖

采用混合室長度為45、60、75、90(mm)四種情況進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結果得到不同混合室長度下氣體體積分數(shù)分布云圖(如圖12所示).根據(jù)模擬結果分析，混合室長度從90～40mm，隨著混合長度的降低，混合室內氣液兩相混合后氣泡的產(chǎn)生量明顯增加,可以進一步提高霧化質量.降低氣液混合的環(huán)隙空間能夠產(chǎn)生較好的氣泡流.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是氣液混合空間的降低使得氣液兩相流體更加容易混合，且液體經(jīng)過混合室的速度增大,對氣泡產(chǎn)生的沖擊力大于氣泡本身的浮力,氣泡容易被液體夾帶而噴出,從而產(chǎn)生較穩(wěn)定的氣泡流.但其環(huán)隙空間的設計過小時容易促使進入混合室的氣流直接與混合室內壁碰撞，不能較好地分散到液流中形成氣泡.這表明混合室的長度及直徑對氣泡噴嘴內部氣液兩相流體流動的流動形態(tài)及其霧化特性有及其顯著的影響.因此，在進行氣泡霧化噴嘴結構設計時應該根據(jù)實際情況選擇合適的混合室長度，有利于提高氣泡霧化噴嘴的霧化特性.

5結論

本文所建立的氣泡霧化噴嘴模型可有效模擬氣泡霧化噴嘴內部氣液兩相混合流動過程.模擬得到的噴嘴出口速度曲線反映了其氣液混合的實際情況.不同操作工況和噴嘴結構參數(shù)對氣液混合過程有較大的影響，模擬結果表明在氣液混合過程中，存在一個最佳氣液比使氣液混合最好；混合室越長越不利于氣液混合，應根據(jù)實際情況選擇混合室長度；小孔數(shù)目越多，產(chǎn)生的氣泡越多；小孔直徑較小，混合較好，小孔直徑一般在0.2～4mm間均能滿足氣泡霧化要求；進氣直徑大，進液直徑小，出口直徑越小，越有利于氣液混合.

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Numericalsimulationofgas-liquidtwo-phase

flowineffervescentatomizer

YUANYue-jin1,2，TANLi-bin1， XU Ying-ying1， YUAN Yue-ding3

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 2.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China; 3.CollegeofMathematicsandComputerScience,YichunUniversity,Yichun336000,China)

Abstract:A three dimensional computational model for the effervescent atomizer was established by utilizing ANSYS,the influence of different ALR values and effervescent atomizer parameters were analyzed by applying CFD technique.The simulation results indicated that the established model could explain the internal mixed flow of effervescent atomizer well.There was existing an optimum ALR for gas-liquid mixed flow;the length increase of the mixing chamber is not conducive to the gas-liquid mixing,the more the number of holes,the more bubbles generated,as diameter, the smaller hole diameter, bigger air-in diameter,smaller water-in diameter,smaller outlet diameter,make the better internal mixing.

Key words:effervescent atomizer; CFD-3D numerical simulation; internal flow of gas-liquid two-phase

中圖分類號：TQ 052.72

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0135-06

作者簡介:袁越錦(1975-)，男，湖南漢壽人，副教授，博士，研究方向：干燥技術與設備

基金項目：國家自然科學基金項目(51276105); 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室開放課題(2015KF02)； 咸陽市科技計劃項目(2012K03-13)

收稿日期:*2015-07-07