氣泡霧化噴嘴內(nèi)部流場流型數(shù)值分析

摘 要：本文基于Fluent商業(yè)軟件的VOF模型對噴嘴內(nèi)腔氣液兩相流動的數(shù)值進行模擬，并將模擬結(jié)果與公開發(fā)表的實驗結(jié)果進行對比，并在此基礎(chǔ)上分析進氣口數(shù)量、噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)及氣液比對氣液兩相流型的影響，討論有利于獲得穩(wěn)定環(huán)狀流的噴嘴結(jié)構(gòu)改進方式和氣液比范圍。

關(guān)鍵詞：氣泡霧化;數(shù)值模擬;氣液兩相流動

中圖分類號：O35 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0071-05

1 研究背景

氣泡霧化噴嘴是由Lefebvre在20世紀(jì)80年代末期最先提出的。其工作原理是：氣體以略高于液體壓力的方式注入混合腔內(nèi)，形成穩(wěn)定的氣泡流動，氣體的介入首先加強了出口處液體的流速，然后氣泡會對液體產(chǎn)生擠壓和剪切作用，使液體以包含微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，接著氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化會促使其急劇膨脹直至破裂，從而將包裹的液膜進一步破碎為更細(xì)微的液霧顆粒。與壓力式噴嘴及兩相流噴嘴相比，氣泡霧化只需要體積很小的混合腔，故氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，同時又具有低能耗、高霧化品質(zhì)、霧化質(zhì)量受液體黏度影響小等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。

Petersen研究了噴嘴出口、混合室尺寸及流體性質(zhì)對霧化效果的影響[1];Rahman和Panchagnula等人研究了液滴速度的軸向分布及ALR對霧化效果的影響[2，3];Ariyapadi等人對液滴軸向速度和均方根速度的分布特性進行分析，并在此基礎(chǔ)上進一步得到速度擬合曲線[4]。馬培勇[5]和梁雪萍[6]等人認(rèn)為混合室長度處于一定范圍內(nèi)才能產(chǎn)生較好的霧化效果;王乃華等人對實驗結(jié)果進行研究，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，平均霧滴粒度受到氣液質(zhì)量比和濃度的影響較大[7]。氣泡霧化噴嘴的相關(guān)國內(nèi)外研究一般集中于對噴嘴外部流場的測量分析，未涉及噴嘴內(nèi)部流型的計算預(yù)測。

為觀察噴嘴內(nèi)部流體特性變化，美國Taiteeh公司的Lin等人使用兩片石英玻璃制作了一個矩形的氣泡霧化噴嘴以觀察噴嘴內(nèi)部的兩相流動，他們對噴嘴內(nèi)部氣液交界面進行拍攝并進行了相關(guān)總結(jié)，混合腔內(nèi)的氣液兩相流流型及所對應(yīng)的外部霧化結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，混合腔內(nèi)的氣液兩相流流型基本可以分為泡狀流、塊狀流、彈狀流和環(huán)狀流這四類典型流型。

對圖1中各流型的霧化效果進行觀察，可以直觀地看出，塊狀流和彈狀流無法得到穩(wěn)定的外部霧場，而泡狀流和環(huán)狀流則可取得較好的霧化結(jié)果，并且這四類流型中，環(huán)狀流相對于其他流型而言可以產(chǎn)生直徑更小的液滴，即產(chǎn)生更好的霧化效果。

本文對混合腔管的內(nèi)部構(gòu)造進行改進，通過Fluent仿真得到混合腔管內(nèi)部流型圖，比較不同結(jié)構(gòu)下的內(nèi)部流型，以研究混合腔管的結(jié)構(gòu)對霧化噴嘴在一定時間內(nèi)形成穩(wěn)定的環(huán)狀流的影響。本文對混合腔管結(jié)構(gòu)做出如下改變：在氣液比增加相同的情況下，觀察較多注氣孔對霧化結(jié)果的影響;縮小噴嘴出口附近的管徑，在相同進氣流量下與初始結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)部的氣液體積情況進行比較。

2.2 物理模型和網(wǎng)格劃分

混合腔內(nèi)部的氣泡兩相流型變化反映了氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部流場特性，將混合腔氣液混合區(qū)選取為仿真計算的計算域，根據(jù)對稱性，取混合區(qū)的一半作為計算域以便提高計算效率。

計算域的網(wǎng)格劃分是通過ANSYS軟件自帶的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD進行的，采用具有四面體和六面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格（主要為四面體），劃分結(jié)果如圖4所示。為取得較好的仿真結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)量最終確定為11萬，并加密了注氣孔及附近位置網(wǎng)格，混合腔壁采用邊界層網(wǎng)格。

從圖6可知，此時的兩相流型已經(jīng)穩(wěn)定，并且注氣孔中氣體在進入混合腔后形成直徑2mm左右的氣泡，氣泡隨著液體以一定速度向噴嘴出口運動，這些氣泡處于離散狀態(tài)，該狀態(tài)是由氣液比較小所導(dǎo)致的氣體質(zhì)量流量較小而決定的。同時，分析仿真視頻可知，生成一個氣泡所需的時間大約為6～7ms。隨著氣泡不斷生成，由于下游的注氣孔形成的其他氣泡與混合腔上方所產(chǎn)生的氣泡相遇并合并，導(dǎo)致氣泡沿混合腔軸向逐漸增大。

這一過程同黃鑫所進行的實驗觀測得到的結(jié)果基本一致，因此該仿真可以真實反映噴嘴混合腔管內(nèi)部的兩相流型。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)改變噴嘴混合腔管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對不同氣液比下的兩相流型進行仿真。

氣泡霧化噴嘴內(nèi)部混合腔管為完全對稱結(jié)構(gòu)，混合腔管的對稱面可以很好地反映內(nèi)部混合腔管的兩相流型。對氣泡霧化噴嘴內(nèi)部混合腔中的流場進行仿真計算，以中間對稱面上兩相流形態(tài)結(jié)果為對象進行分析。初始結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的仿真結(jié)果及分析如下所述。

3.1 初始結(jié)構(gòu)的仿真計算結(jié)果及其分析

圖7為兩相流型圖。由圖7可知，混合腔管內(nèi)部在一段時間后可以形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，且環(huán)狀流具有周期性，這是由混合腔管內(nèi)部壓力不斷變化所導(dǎo)致的。具體過程為，首先在噴嘴混合腔管內(nèi)部形成環(huán)狀流，并產(chǎn)生體積較大的氣泡，氣泡導(dǎo)致腔管內(nèi)部壓力降低，液體不斷涌入腔管內(nèi)部，對氣泡造成擠壓，隨著涌入的液體量不斷增加，氣泡間重新形成液體界面，并最終呈現(xiàn)周期性。

表2給出了初始結(jié)構(gòu)的注氣孔不同注入氣體的速度下形成穩(wěn)定周期所需的時間，且在不同工況下兩氣泡間間隔分別為18、15.4、13.5ms和12.7ms。

通過分析仿真結(jié)果可以得出：增加進氣速度，即增大氣體質(zhì)量流量，氣液比ALR增大，使噴嘴混合腔管內(nèi)部的流體流型由泡狀流逐步變成環(huán)狀流，且環(huán)狀流兩氣泡間隔時間逐步縮短，可以提高噴嘴的霧化效果。

3.2 結(jié)構(gòu)1的仿真結(jié)果及其分析

結(jié)構(gòu)1的混合腔管同初始結(jié)構(gòu)相比，進氣孔數(shù)量增加1倍，即在相同的進氣速度下，噴嘴的進氣流量是初始結(jié)構(gòu)的2倍，氣液比ALR也是初始結(jié)構(gòu)的2倍。計算得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

由仿真所得的兩相流型圖可知，增加進氣孔數(shù)量后，分析數(shù)值模擬得到的混合腔管內(nèi)部兩相流流型視頻，不同進氣速度下形成較為穩(wěn)定的環(huán)狀流所需時間見表2。觀察兩相流型圖，在混合腔管上半部分可以形成較多體積較小的氣泡，氣泡隨液體向下運動，在靠近噴嘴出口處集聚成一個大氣泡，且隨著進氣速度的增加，大氣泡的體積有越來越大的趨勢。以上分析表明，進氣速度的增加可以延長環(huán)狀流的維持時間，進而使噴嘴外部能長時間保持較好的霧化狀態(tài)。

3.3 結(jié)構(gòu)2的計算結(jié)果

混合腔管結(jié)構(gòu)2與初始結(jié)構(gòu)相同，均具有三排注氣孔，其區(qū)別在于，混合腔管結(jié)構(gòu)2的噴嘴腔管在靠近出口端的管徑減小。由于注氣孔結(jié)構(gòu)相同，在相同的進氣速度下，混合腔管結(jié)構(gòu)2與初始結(jié)構(gòu)的進氣流量以及氣液比ALR相同。結(jié)構(gòu)2混合腔管在達到穩(wěn)定時的內(nèi)部流型圖見圖9。

結(jié)構(gòu)2能形成穩(wěn)定周期的環(huán)狀流所需時間見表2。很顯然，在相同的進氣流量條件下，結(jié)構(gòu)2比初始結(jié)構(gòu)的混合腔管更早形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，且兩氣泡間隔時間也較短。因此，縮小靠近出氣口一側(cè)的管徑的噴嘴結(jié)構(gòu)有助于提高噴嘴的霧化效果。

4 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)氣泡通過噴嘴出口時，液體受到氣體的擠壓和剪切作用，以包含大量微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，在距離噴口極小的距離處，由于氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化，而促使其急劇膨脹直至破裂，同時將包裹在其周圍的液膜進一步破碎，形成更加細(xì)微的顆粒群。因此，霧化發(fā)生在氣泡通過噴嘴出口的時段，噴嘴的霧化效果由氣泡通過噴嘴出口的時間同混合腔管穩(wěn)定后形成環(huán)狀流的周期的時間比值共同決定。Lund在1993年提出了一個計算索特平均直徑的Lund公式，公式如下：

4.1 氣泡通過噴嘴出口處時間占總時間的比值

由上述分析可知，霧化現(xiàn)象發(fā)生在氣泡通過噴嘴出口的時段。因此，氣泡通過噴嘴的時間占總時間的比值直接決定了霧化時間的長短。圖10為混合腔管在不同結(jié)構(gòu)下隨著氣液比變化的環(huán)狀流型時間百分比曲線。

由該曲線可知，隨著氣液比的增加，三種結(jié)構(gòu)下的環(huán)狀流時間所占比值都是增加的。在較低的氣液比下，初始結(jié)構(gòu)的霧化效果較好，但隨著氣液比的增加，初始結(jié)構(gòu)環(huán)狀流時間所占比值明顯小于另外兩種結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)1的環(huán)狀流時間所占比值在相同氣液比下要大于結(jié)構(gòu)2。

相同氣液比下，使氣體經(jīng)過更多的注氣孔進入混合腔管中能形成更加穩(wěn)定的環(huán)狀流;縮小噴嘴出口附近的管徑也可以在一定程度上提高環(huán)狀流的穩(wěn)定性，提高環(huán)狀流時間所占的比值，即得到更好的霧化效果。

4.2 噴嘴出口處的含氣率

霧化過程是一個十分復(fù)雜的過程，現(xiàn)今并沒有一套完全令人信服的理論用于描述霧化過程。Lefebvre認(rèn)為，霧化可分為圖11所示的6個過程：流體在噴嘴出口附近形成液膜，產(chǎn)生波動后形成液線，然后破碎成較大的液滴，再破碎成較小的液滴，最后小液滴又會凝聚，發(fā)生二次破碎。

由上述的公式（3）可知，噴嘴出口處的液膜厚度與霧化形成的液滴直徑成正比，而噴嘴出口處的含氣率對出口處的液膜厚度具有較大影響。

由于噴嘴出口處的氣液相對速度是不斷變化的，那么出口處的含氣率也是不斷變化，因此我們選取含氣率較為穩(wěn)定的一段時間的平均值作為評價標(biāo)準(zhǔn)。圖12為三種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴在不同氣液比下的含氣率變化。

從圖12中的曲線圖可知，三種結(jié)構(gòu)的噴嘴，其噴嘴出口處的含氣率都與氣液比成正比。在實際應(yīng)用中，氣液比通常大于0.05。根據(jù)得到的計算結(jié)果，在氣液比大于0.05的情況下，相較于其他兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1的含氣率明顯更大。而初始結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)2在氣液比處于0.05到0.08之間時，兩者的含氣率相差不大，氣液比大于0.08時，結(jié)構(gòu)2的含氣率要大于初始結(jié)構(gòu)。

在氣液比小于0.1的情況下，三種噴嘴含氣率都明顯增長，大于0.1后則趨于平緩。考慮到噴嘴霧化的經(jīng)濟性，可將氣液比定在稍大于0.1的值附近。

本文采用Fluent對不同結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴嘴進行仿真運算，對結(jié)果進行分析可知：增加噴嘴的進氣孔數(shù)量和縮小噴嘴出口附近的管徑對提高噴嘴的霧化效果都具有有利影響，一方面可以提高噴嘴發(fā)生穩(wěn)定霧化的時間，另一方面可以得到更好的霧化效果。因此，在滿足制造工藝所需條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過增加進氣孔數(shù)量及縮小噴嘴出口附近管徑對噴嘴進行改進。

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