基于FLUENT的縱向風(fēng)速促進(jìn)霧化數(shù)值模擬分析

唐 聰

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610039）

噴頭廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)噴灑、淋浴、消防與工業(yè)循環(huán)水霧化降溫等領(lǐng)域。噴霧過程是一個突變的過程，其受到輸入壓力、輸入流量、噴頭結(jié)構(gòu)、外部條件等眾多因素的影響，噴霧粒徑也受到輸出速度與氣液夾角等因素的影響。[1-2]現(xiàn)實(shí)生活中，單純的噴頭在大氣壓力中噴射很少出現(xiàn)，常常伴有縱向風(fēng)與橫向風(fēng)的影響。現(xiàn)階段，對橫向風(fēng)效果影響較多，但是對縱向風(fēng)促進(jìn)噴頭霧化研究很少。ANSYS FLUENT軟件是是國際主流仿真軟件之一，其內(nèi)置噴霧模型能夠準(zhǔn)確地模擬出各種噴霧效果。[3]本文在充考慮傳熱模型、湍流模型、組分模型與離散相模型的情況下，研究縱向風(fēng)對工業(yè)循環(huán)冷卻水噴頭的霧化效果的影響。

1 模型與仿真方法

1.1 噴頭模型

本文以某工廠工業(yè)循環(huán)水霧化冷卻噴頭為例，其噴頭內(nèi)徑為8mm，進(jìn)水溫度為55℃，在0.2Mpa輸入壓力下，根據(jù)噴頭內(nèi)部的仿真結(jié)果所示，出口速度為20m/s，流量為0.2kg/s，粒徑在0.1～0.5mm之間。噴頭二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴頭二維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ICEM CFD對霧化區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時，考慮流場復(fù)雜性與霧化場邊界結(jié)構(gòu)，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用純六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。霧化區(qū)域?yàn)?m×4m×4m正方體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格數(shù)量為64000，用 Determinant 2×2×2 檢查網(wǎng)格質(zhì)量完全為1，網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)秀，達(dá)到霧化場仿真需求，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 霧化場網(wǎng)格劃分

1.3 仿真方法

用雙精度方式打開軟件后，分別打開能量方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程、組分傳輸模型、離散相模型，噴頭結(jié)構(gòu)采用solid cone模型，粒徑用rosin-rammler方法描述，設(shè)定噴頭在縱向風(fēng)吹過0.2s后流場達(dá)到穩(wěn)定時開始噴射，噴射時間設(shè)置為1s，改變縱向風(fēng)速為 0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，5m/s，10m/s，20m/s，分別對其進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 噴嘴噴射的數(shù)學(xué)模型

噴霧可看作不可壓縮流體，其連續(xù)性方程在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為：

式中：Vx，Vy，Vz分別為速度矢量分別在 x，y，z方向上的速度分量。

動量方程（N-S方程）為：

ui為 x、y、z方向上的速度張量，μ 表示動力粘度，單位為 N·s/m2；ρ 為流體密度，kg/m3。[4]

噴霧噴射是一種高湍流狀態(tài)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)kε方程描述。k是速度波動的變化量湍動能，單位為m2/s2.ε指速度波動耗散的速率，為動能耗散，是單位時間的湍動能，單位為m2/s3。其運(yùn)輸方程如下：

其中：Sk與Sε是用戶自定義源項(xiàng)，Gk和GB是由平均速度梯度引起的湍動能的k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM為壓縮流體中脈動擴(kuò)張的影響值，C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為常數(shù)，在 FLUENT 中，默認(rèn) C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.99，σk＝1.0，σε＝1.3[5-6]。

3 結(jié)果與分析

各風(fēng)速下霧化粒徑分布、霧化場中間軸線溫度及霧滴中間平面霧滴粒徑概率分布如圖3、圖4、圖5所示：

圖3 霧化粒徑分布

圖4 各縱向風(fēng)速下霧化場中間軸線溫度

圖5 中間平面霧滴粒徑概率分布

分析：對比各縱向風(fēng)速下粒徑分布圖可知，隨著縱向風(fēng)速逐漸增加，縱向風(fēng)有促進(jìn)噴頭快速實(shí)現(xiàn)充分霧化的效果，噴射時間同為1s時，無風(fēng)狀態(tài)下噴霧高度在3m，1m/s縱向風(fēng)速下已經(jīng)到達(dá)4m，當(dāng)風(fēng)速超過2m/s后，液體已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了充分霧化。

對比各縱向風(fēng)下中間軸線溫度可知，縱向風(fēng)在促進(jìn)噴頭霧化效果的同時，可加快霧滴與空氣之間換熱。軸線方向剛開始時，溫度有一定的上升階段，是由于噴霧射出時，會與空氣接觸，在噴頭處可形成單相區(qū)、空穴區(qū)及回流區(qū)三個工作區(qū)[7-8]?？昭▍^(qū)一般是空氣，因此溫度在軸線出是一個緩慢增加趨勢。隨著風(fēng)速的增加，中間軸線最高溫度由無風(fēng)狀態(tài)308開氏度，當(dāng)5m/s風(fēng)速時已經(jīng)降到了306開氏度，在10m/s風(fēng)速下，軸線方向最高溫度已經(jīng)在305開氏度以下，同比無風(fēng)狀態(tài)降溫效率提高了12%。

根據(jù)各平面中間平面粒徑大小可知，當(dāng)無縱向風(fēng)時，粒徑大小在0.1mm到0.2mm之間遞增，其中0.2mm處粒徑達(dá)到了35%以上，且有8%左右的粒徑大小超出了0.2mm；當(dāng)縱向風(fēng)速為1m/s時，中間平面粒徑大小50%以上為0.18mm左右，0.2mm的粒徑占11%；當(dāng)風(fēng)速為2m/s時，粒徑小于0.2mm的占比已經(jīng)到達(dá)75%，且大多在0.18～0.2mm之間；當(dāng)縱向風(fēng)速為5m/s時，中間平面粒徑大小呈一種較均衡的趨勢，受到蒸發(fā)的作用，小粒徑液滴快速蒸發(fā)，較大粒徑液滴數(shù)量占比相對升高，粒徑集中與0.18mm，小于0.2mm的粒徑仍占50%左右；當(dāng)風(fēng)速在10m/s時，粒徑已經(jīng)全部分布在0.2mm左右；隨著風(fēng)速的增加，粒徑開始逐漸變小，且向某一數(shù)值趨近。

4 結(jié) 論

通過Fluent數(shù)值模擬可知，縱向風(fēng)有促進(jìn)噴霧更加迅速實(shí)現(xiàn)充分霧化的效果；且縱向風(fēng)速有促進(jìn)液滴蒸發(fā)，加快液滴換熱的效果，風(fēng)速越高，溫度降得越快；隨著風(fēng)速的增加，液滴平均粒徑會逐漸減小。本文可為縱向風(fēng)促進(jìn)霧化冷卻相關(guān)研究提供參考；在設(shè)計需要采用通過霧化降溫的機(jī)械裝置時，可考慮使用縱向風(fēng)促進(jìn)霧化。