基于CFD 的水霧化鋅粉噴嘴性能研究

劉望保，馮 敏，謝清明，唐小同，胡少龍，馬 超，鄭 鐘

（株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司，湖南株洲 412000）

金屬鋅粉在冶金和化工行業(yè)中常被用來做置換劑，根據(jù)制備鋅粉的工藝不同，主要有電爐還原熔煉鋅粉、空氣霧化鋅粉和水力霧化鋅粉3 種。電爐還原熔煉鋅粉工藝所得有效鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于92%，其中還附含一定的有害元素，且對相關(guān)操作人員的素質(zhì)要求很高，在生產(chǎn)過程中容易造成安全事故[1]?？諝忪F化鋅粉是通過壓縮空氣破碎冷卻液態(tài)鋅的工藝方法制備而成，也存在很多不足，比如鋅粉顆粒粗、有效鋅含量低，使得該工藝鋅的消耗量大、回收率低[2]。而水霧化鋅粉是通過使用高壓水破碎冷卻液態(tài)鋅而成，避免了前面兩種工藝存在的諸多缺陷，其活性好、氧化率低，比表面積大，有效鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)到98%以上，鋅粉消耗量大大降低,直接和間接的費用也大大降低。1984 年1 月，加拿大電解鋅廠進(jìn)行了水霧化鋅粉的規(guī)模試驗,試驗數(shù)據(jù)表明該工藝可節(jié)省40%的鋅粉。目前，國內(nèi)很多大的企業(yè)都開始成規(guī)模地使用水霧化鋅粉工藝，并積累了豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗。

株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司通過大量的工業(yè)試驗，積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)，研制出了一種高壓水霧化金屬粉末造漿工藝及其造漿系統(tǒng)，已申請了相關(guān)的發(fā)明專利。霧化噴嘴是水力霧化鋅粉工藝的關(guān)鍵設(shè)備之一。國內(nèi)外學(xué)者對高壓大流量噴嘴的設(shè)計已做了大量的研究，目前國內(nèi)常使用的霧化噴嘴主要有環(huán)孔型、組合式[3]。株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司在吸取國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用CFD分析，對噴嘴的各項性能參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，最終達(dá)到綜合性能最優(yōu)，成功研發(fā)出了新型高效霧化噴嘴，并已申請了國家發(fā)明專利。下文結(jié)合該公司的研發(fā)實例，對新型霧化噴嘴的性能研究進(jìn)行分析。

1 霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)

研發(fā)的新型噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意

如圖1 所示：噴嘴射出口采用錐面環(huán)孔，其錐面間隙為 h（0.2～0.5 mm），間隙長為 l，射出內(nèi)夾角為α（30°～60°），錐面下段半徑 r1，錐面上段半徑 r2。將間隙部分展開，展開形狀為一個扇形，如圖2 所示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)展開示意

水泵排量恒定在一個值，則噴嘴工作流量Q 為已知條件，可分別通過式（1）和式（2）計算出壓力差ΔP 和出口水流速度V。

2 CFD 分析

水霧化鋅粉噴嘴是以水為工作介質(zhì)的高壓大流量霧化噴嘴。為確保噴嘴性能優(yōu)越，縮短研發(fā)設(shè)計周期，在結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計方法的同時，該公司對噴嘴內(nèi)部的流場進(jìn)行了全面的CFD 分析，研究了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)錐面間隙和噴射內(nèi)夾角對其射流性能的影響。

2.1 控制方程

噴嘴內(nèi)部流道復(fù)雜，流動狀態(tài)為湍流，可用三維Navier－Stokes 方程作為流動控制方程，其連續(xù)方程為式（3）、動量方程為式（4）、能量方程為式（5）。

式中：ρ 為液體密度，V 為速度張量。

通過以上方程的控制，有效支撐噴嘴的數(shù)值計算和分析。

2.2 網(wǎng)格劃分與數(shù)值計算

本次分析采用Solidworks Flow Simulation 來進(jìn)行，由于噴嘴的結(jié)構(gòu)件相對較多，在不影響計算結(jié)果的前提下，把霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡化，網(wǎng)格劃分總網(wǎng)格數(shù)為108 410 個，如圖3 所示。 噴嘴內(nèi)水流可視作不可壓縮湍流流動，環(huán)境壓力0.10 MPa，溫度293.20 K，錐面間隙h 為0.2～0.5 mm，入口流量范圍 18～23 m3/h，動力黏度 0.893 7 MPa·s。 設(shè)定好以上初始邊界條件后進(jìn)行求解， 最終進(jìn)行了198 次迭代計算。

圖3 基礎(chǔ)網(wǎng)格劃分

3 仿真結(jié)果

經(jīng)過多次反復(fù)優(yōu)化間隙h、射出內(nèi)角α 參數(shù)，對二者取值得到如下結(jié)論：1）當(dāng)射出內(nèi)角α 越小，射出的水流匯聚點離噴嘴越遠(yuǎn)，水流射出速度急劇衰減，達(dá)不到霧化鋅粉的目的，這并不是所需要的狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求， 通過分析得出當(dāng)射出內(nèi)夾角為60°時，水流射出匯聚點靠近噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)緊湊。 2）流量恒定的前提下（泵的額定排量恒定），當(dāng)間隙為0.3 mm 時，噴嘴射出水流的速度144 m/s，能保持所需要的沖擊，噴嘴內(nèi)腔壓力在系統(tǒng)所能承受的范圍20 MPa 內(nèi)，噴嘴的結(jié)構(gòu)最優(yōu)。當(dāng)間隙h 繼續(xù)增大，噴嘴射出水流速度急劇降低，也達(dá)不到霧化鋅粉的效果。如果繼續(xù)減小間隙h，射出速度急劇增加，但同時流道內(nèi)腔壓力也急劇增加，超過系統(tǒng)允許壓力值；同時由于速度過快，雖然能達(dá)到霧化鋅粉的效果，但噴嘴的磨損損耗加劇，壽命大大降低，大大增加經(jīng)濟(jì)成本[4-5]。優(yōu)化后，CFD 分析計算得霧化噴嘴內(nèi)部的兩個重要參數(shù)射出速度和流道平均總壓力如表1 所示。

表1 CFD 分析參數(shù)匹配

具體壓力場分析和速度場分析如下。

3.1 壓力場分析

間隙 h =0.3 mm、射出內(nèi)角 α =60°,噴嘴綜合性能最優(yōu),計算得霧化噴嘴內(nèi)部流道壓力場分布如圖4所示。 水流在噴嘴內(nèi)部流道頂部和中間部位型腔直接射流沖擊形成了高壓區(qū)，圖5 為壓力場的平均總壓曲線圖。 可以看到，壓力值在16 MPa 收斂，出口處壓力階梯遞減，在合理的范圍內(nèi)。

圖4 噴嘴內(nèi)部流道壓力場

圖5 平均總壓曲線

3.2 速度場分析

霧化噴嘴的速度場如圖6 所示。

圖6 速度分布

由圖6 可以看出，由于霧化噴嘴入水口是沿內(nèi)腔流道的切線方向，所以水流會形成渦流效應(yīng)，出口處的水流速度最快，如圖7 所示。 速度在144 m/s 處收斂，從而能保持足夠的沖擊力，滿足水霧化鋅粉的工藝要求。

圖7 最大速度曲線

通過實驗，分析記錄數(shù)據(jù)得到：在最優(yōu)參數(shù)間隙h=0.3 mm、射出內(nèi)角α=60°情況下，實際測得噴嘴內(nèi)部壓力為15.52 MPa，噴嘴口流速132 m/s。與數(shù)值分析的結(jié)果相比，實際值偏小，主要是由于零件加工表面粗糙度的變化，以及加工和裝配精度的影響所造成的，誤差控制在3%～8%內(nèi)，符合預(yù)期。

4 結(jié)論

通過全面的CFD 分析，得出以下結(jié)論：1）霧化噴嘴出口是錐面環(huán)孔，大流量保證連續(xù)水幕，高壓高速保證一定的沖擊力，滿足水霧化鋅粉工藝要求；2）霧化噴嘴流道設(shè)計合理，高壓水流流入噴嘴時沿著內(nèi)腔切線方向，不會因為噴嘴芯造成直接沖擊而形成損耗；3）錐面間隙h 的大小是影響出口水流速度和流道內(nèi)腔壓力的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值的選擇很關(guān)鍵[6]。

利用CFD 計算得出的噴嘴壓力和流速與實測值很接近[7]。株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司在此次研究過程中充分利用CFD 設(shè)計噴嘴，大大提高了設(shè)計的效率，縮短研發(fā)周期，所研發(fā)出的新型高效霧化噴嘴結(jié)構(gòu)合理，在保證合理性能參數(shù)的前提下，顯著提升鋅粉水霧化效果，同時大幅提升了噴嘴的整體使用壽命，目前已申請了發(fā)明專利。