基于回流區(qū)特性的氣霧化噴嘴設(shè)計(jì)及流場結(jié)構(gòu)模擬

徐良輝，周香林*，李景昊，杜開平，馬堯，于月光

(1.北京科技大學(xué) 新金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2.加拿大麥吉爾大學(xué) 機(jī)械工程系，蒙特利爾 QCH2A0C3 3.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

氣霧化法是制備高性能金屬和合金粉末的一種重要方法，與傳統(tǒng)的研磨破碎法和電化學(xué)法相比，它主要有粒度分布窄、冷卻速率大、粉末球形度高和雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)；氣霧化法適用性廣泛，除難熔金屬鎢、鉬等和非?；顫姷慕饘僖酝?，適用于絕大多數(shù)金屬和合金粉末的制備。近些年，對于氣霧化的研究越來越多，主要集中于霧化流場結(jié)構(gòu)、粉末粒度影響因素以及熔體破碎行為的研究。Ting[1]等人對固定寬度的環(huán)形狹縫噴嘴進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其流場中存在“開渦”和“閉渦”兩種典型的流場結(jié)構(gòu)，且這兩種流場結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)及霧化氣體壓力相關(guān)。Zeoli[2]模擬環(huán)形狹縫霧化氣體與熔體之間的相互作用，發(fā)現(xiàn)柱狀熔體沿著噴嘴中心線運(yùn)動(dòng)，環(huán)形高速氣流在熔體表面形成擾動(dòng)并將其推向下游形成不穩(wěn)定的液體層，不穩(wěn)定熔體流邊緣破裂成小的液體條帶，形成二次破碎。目前國內(nèi)外對狹縫噴嘴的流場研究較多，而對于laval噴管霧化噴嘴的流場研究鮮有報(bào)道，本文通過研究超聲速laval壁面曲線，結(jié)合緊耦合霧化的特點(diǎn)，依據(jù)臨界霧化氣壓準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了一種laval噴管結(jié)構(gòu)霧化器。利用CFD軟件，模擬研究不同影響因素下的流場結(jié)構(gòu)，對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 霧化噴嘴設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

熔融金屬從導(dǎo)流管流出時(shí)，受到重力和導(dǎo)流管出口與金屬液面的壓強(qiáng)差的作用。熔融金屬的流速 與抽吸壓力 具有以下關(guān)系[2]：

其中g(shù)是重力加速度，h是坩堝中熔融金屬液面和導(dǎo)流管出口之間的高度差，ρm是金屬熔體的密度，ΔP是熔體受到的抽吸壓力，ΔP=Ps-Pa，Ps是導(dǎo)流管出口處的氣體靜態(tài)壓力，Pa是坩堝液面的環(huán)境壓力。

根據(jù)公式(1)，當(dāng)ΔP＜0 時(shí)，熔融金屬被加速吸入霧化器，抽吸壓力小于零有利于霧化過程的順利進(jìn)行；當(dāng)ΔP＞0 時(shí)，導(dǎo)流管流出的熔融金屬流速將減慢；當(dāng)Ps=ρmgh+Pa時(shí)，此時(shí)v=0，熔體將無法流出，霧化過程將會中斷；當(dāng)Ps進(jìn)一步增加，霧化氣體則會通過導(dǎo)流管倒灌進(jìn)入坩堝，導(dǎo)致起泡或反噴的現(xiàn)象。將v=0時(shí)對應(yīng)的霧化氣壓定義為臨界霧化氣壓Pc，那么Pc是保持霧化過程可以順利進(jìn)行的最大霧化壓力；更高的臨界霧化壓力可以增加霧化壓力P的選擇范圍，并且可以生產(chǎn)更為細(xì)小的粉末。

忽略熔體流動(dòng)時(shí)的液面下降，則液面與導(dǎo)流管出口的高度差h保持不變，臨界霧化壓力Pc取決于導(dǎo)流管出口處的靜態(tài)壓力Ps。優(yōu)化霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，主要是為了降低導(dǎo)流管出口處的靜態(tài)壓力，使霧化過程順利進(jìn)行。提升流場速度，調(diào)整氣體流場的分布，使高速氣體最大限度的集中作用于霧化熔體，從而細(xì)化粉末粒度、增加粉末均勻性、節(jié)約氣體用量、提升霧化效率。

在本文中，通過設(shè)計(jì)霧化器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化參數(shù)來改進(jìn)霧化器的流場結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件模擬其流場結(jié)構(gòu)，力求獲得均勻集中分布的霧化流場，提升流場速度，提升臨界霧化壓力Pc。

2 模型的建立及求解

Laval噴管內(nèi)氣體處于等熵流動(dòng)狀態(tài)，符合等熵流動(dòng)方程，假設(shè)Laval曲線中任意一個(gè)截面積為A，最小臨界面積為A0，對于等熵流動(dòng)有[3]：

當(dāng)氣體為N2時(shí)，k=1.4，A/A0隨著馬赫數(shù)Ma的變化曲線如圖1所示，從圖中可以觀察到，當(dāng)面積比A/A0確定后，馬赫數(shù)Ma隨之也確定，同一個(gè)面積比A/A0對應(yīng)兩個(gè)馬赫數(shù)Ma，它們分別對應(yīng)著Laval管中的亞音速流動(dòng)(Ma＜1)和超音速流動(dòng)(Ma＞1)狀態(tài)。

Laval噴嘴曲線主要由收縮部分和擴(kuò)張部分組成，收縮壁面曲線主要有維托辛斯基曲線、Batchelor-Shaw曲線、五次曲線等[4]，對于擴(kuò)張壁面曲線，主要由特征線方法[5]和Foelsch[6]方法等確定，它的設(shè)計(jì)會直接影響到出口氣流。本文中，收縮段曲線采用五次曲線確定，擴(kuò)張段曲線采用基于特征線設(shè)計(jì)的解析法確定。具體曲線方程如下：

其中，R0為laval喉部半徑，R1為入口半徑，L1為收縮段軸向總長度，R和x分別為任意界面處的徑向半徑及軸向距離。

L2為擴(kuò)張段總長度。本文采用氮?dú)庾鳛殪F化氣體，設(shè)計(jì)馬赫數(shù)Ma=3.94，對應(yīng)的出口面積與喉部面積之比為A2/A0=6.288。

圖1 面積比與馬赫數(shù)的關(guān)系(k=1.4)Fig.1 Relationship between area ratio and Mach number

圖2 Laval噴管壁面曲線Fig.2 Laval nozzle curve

流場模擬選用 模型作為湍流模型，氮?dú)庵饕再|(zhì)如下表1所示，設(shè)置氮?dú)獾拿芏葹槔硐霘怏w狀態(tài)(ideal-gas)，粘度由Sutherland公式計(jì)算[7]：

其中μ為計(jì)算所需的粘度，μ0為參考粘度，T0為參考溫度，T為靜態(tài)溫度，S為Sutherland常數(shù)。由于霧化氣體的流動(dòng)是高速可壓縮問題，故選擇Coupled求解器。

表1 模擬計(jì)算時(shí)氮?dú)獾奈锢硇再|(zhì)Table1 Nitrogen properties for numerical simulation

圖3是laval氣霧化噴嘴的二維結(jié)構(gòu)圖，研究影響霧化流場結(jié)構(gòu)及粉末粒度的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，具體影響因素及數(shù)值設(shè)置如下表2所示：

表2 影響因素及參數(shù)設(shè)置Table2 Atomized factors and parameters

圖3 Laval霧化噴嘴幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The geometry of laval nozzle atomizer

3 研究結(jié)果與分析

3.1 不同氣霧化壓力下的流場結(jié)構(gòu)

霧化壓力P是影響氣霧化過程的主要因素，它不僅影響氣體動(dòng)能，還間接影響質(zhì)流比Gm/Gg和粉末表面光潔度[8]。圖4分別是霧化壓力為1.7MPa和3.2MPa下的速度云圖，我們發(fā)現(xiàn)霧化壓力P=1.7MPa時(shí)，霧化氣壓較低，氣體噴出后不發(fā)生膨脹，霧化氣壓P增大到3.2MPa時(shí)，氣體噴出后小幅膨脹。這是由laval噴管結(jié)構(gòu)決定的，一種laval結(jié)構(gòu)只對應(yīng)一種理想的流動(dòng)狀態(tài)，即氣體膨脹后在laval噴口處的氣壓剛好等于環(huán)境壓力時(shí)，氣體沿切向流出不發(fā)生膨脹，霧化氣壓的變化會使其出現(xiàn)欠膨脹和過膨脹兩種流動(dòng)狀態(tài)。在過膨脹狀態(tài)下，氣體在laval噴口處膨脹后的壓力小于環(huán)境壓力，此時(shí)出口處將產(chǎn)生壓縮激波，使其壓力與環(huán)境壓力相平衡；在欠膨脹狀態(tài)下，氣體在laval噴口處膨脹后的壓力大于環(huán)境壓力，此時(shí)氣體出口后將會繼續(xù)膨脹，產(chǎn)生膨脹激波，直到壓力與環(huán)境壓力平衡。霧化氣體壓力的增大使流場速度逐漸增加，最大速度由615m/s增大到674m/s，氣流場結(jié)構(gòu)基本相似，只是反射激波隨著壓力的增加而增強(qiáng)，流場的區(qū)域增大。與普通的氣體噴管不同，laval噴管霧化器在壓力增加時(shí)并未出現(xiàn)所謂的“閉渦結(jié)構(gòu)”[9]。這是由于laval管收縮-擴(kuò)張的特殊結(jié)構(gòu)，氣體已經(jīng)在管內(nèi)充分膨脹加速，高速氣體沿著出口沿切向噴出，不再形成周期性的膨脹-壓縮波。由圖5(a)和圖7可知，當(dāng)霧化壓力較低時(shí)，回流區(qū)內(nèi)的靜態(tài)壓力變化較小，保持在70-80KPa的低值，當(dāng)P=8MPa時(shí)，導(dǎo)流管出口處的Ps達(dá)到110KPa，由于laval噴管的膨脹特性，laval噴管霧化噴嘴可以大幅提升臨界霧化氣壓Pc。

從圖5(b)的溫度分布可以看到，由于焦耳-湯姆生效應(yīng)，隨著氣體的逐漸加速，氣體膨脹后溫度下降，最低溫度隨著霧化氣壓的增加而降低，當(dāng)P由1.7MPa增加到3.2MPa時(shí)，流場最低溫度由108.4K降低到70.5K。結(jié)合速度、溫度及壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，流場中的壓力、溫度與流場中氣體的速度分布趨勢正好相反，即速度越大的區(qū)域，相應(yīng)的溫度和壓力就越低。圖6是導(dǎo)流管出口附近的速度矢量圖，由圖可知導(dǎo)流管下方存在一個(gè)速度為負(fù)的倒錐狀氣體回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)最大速度可達(dá)250m/s，它是由超音速氣流邊緣的亞聲速氣體在壓力差作用下反向回流形成的一種湍流結(jié)構(gòu)?；亓鲄^(qū)下方與超音速氣流存在一個(gè)速度為零的分界點(diǎn)，稱為滯點(diǎn)。

圖4 不同霧化氣壓下的速度云圖：(a)1.7MPa；(b)3.2MPaFig.4 Velocity contour plots of the gas field at different inlet pressures: (a)1.7MPa, (b)3.2MPa

圖5 相同霧化氣壓下的壓力云圖：(a)及溫度云圖；(b)(P=1.7MPa)Fig.5 Static pressure contour plots: (a)and temperature contour plots, (b)under the same inlet pressures(P=1.7MPa)

圖6 導(dǎo)流管下方回流區(qū)速度矢量圖Fig.6 Velocity vectors in recirculation zone

圖7 不同霧化壓力下軸線處的壓力分布Fig.7 Axial static pressure curves of the gas field at different inlet pressures

3.2 霧化氣體溫度對流場的影響

霧化氣體的動(dòng)能與溫度成正比，提升氣體溫度，可以顯著提升氣體的流場速度，提升細(xì)粉成品率[10]。如圖8所示，將溫度T由300K提升到400K，流場的最大速度增加了100m/s，增幅達(dá)15.3%，流場速度與氣體溫度幾乎呈線性增長，同時(shí)流場的溫度也有提升。因此，對于相同質(zhì)量流率的熔體，可以通過提高霧化氣體溫度來獲得更大的氣體動(dòng)能，降低霧化粉末平均粒度。分析不同氣體溫度下的流場速度云圖、壓力云圖及溫度云圖，發(fā)現(xiàn)改變氣體溫度不會引起霧化流場結(jié)構(gòu)的變化，只會影響流場速度的大小及溫度的高低。

圖8 流場最大速度與霧化氣體溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between maximum velocity of flow field and gas temperature

3.3 氣體噴口孔心距對流場的影響

影響氣體流場結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要因素就是氣體噴口孔心距D，即環(huán)狀氣體噴嘴的出口直徑。圖9是氣體噴口的孔心距分別為D=20.8mm和D=38.8mm的速度云圖，結(jié)合圖10可知，隨著噴口孔心距的增加，流場最大速度有所降低，從645m/s下降到623m/s。從速度云圖可知回流區(qū)內(nèi)速度增加，范圍顯著增大，速度流場的區(qū)域也增大。圖11顯示氣體噴口孔心距D會顯著影響導(dǎo)流管出口處的靜態(tài)壓力，隨著氣體噴口孔心距D增加，回流區(qū)靜壓逐漸下降，當(dāng)D增大到38.8mm，靜壓下降到69KPa左右時(shí)不再繼續(xù)降低，趨于穩(wěn)定。從促進(jìn)熔體順利流出方面來說，增大噴口孔心距有利于增大抽吸壓力，促進(jìn)熔體流出；從提升霧化熔體破碎效率角度來說，流場速度的降低和流場區(qū)域增大不利于氣體能量快速集中作用于熔體，故應(yīng)將氣體噴口孔心距控制在合適的范圍，對于此噴嘴孔心距D應(yīng)選擇在26.8-32.8mm之間較為理想。

圖9 不同噴口孔心距下的速度云圖：(a)D=20.8mm；(b)D=38.8mmFig.9 Velocity contour plots of the gas field at different gas nozzle distance: (a)D=20.8mm, (b)D=38.8mm

圖10 不同噴口孔心距下軸線的速度分布Fig.10 Axial velocity curves of the gas field at different gas nozzle distance

圖11 不同噴口孔心距下軸線的壓力分布Fig.11 Axial static pressure curves of the gas field at different gas nozzle distance

3.4 氣體噴射角度對流場的影響

從圖12的速度云圖中可以看出，隨著氣體噴射角度α的增大，高速氣體在導(dǎo)流管下方相遇后反射作用增強(qiáng)，回流區(qū)被壓縮，形成較強(qiáng)的反射波。由圖14可知流場最大速度也隨α的增大有所增加，從618m/s增加到635m/s。圖13顯示回流區(qū)內(nèi)靜態(tài)壓力隨著氣體噴射角度的增大而顯著增加，當(dāng)噴射角度增加到α=35°和α=40°時(shí)，回流區(qū)內(nèi)靜態(tài)壓力分別達(dá)到了116.7KPa和175.4KPa，超過了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，此時(shí)熔體流動(dòng)將會受到阻礙。故為了使流體能順利流下，又讓氣體更好的集中作用于熔體，綜合分析后將氣體噴射角度控制在30°左右較為合適。

圖12 不同氣體噴射角度的速度云圖：(a) α=20°；(b) α=40°Fig.12 Velocity contour plots of the gas field at different gas injection angle: (a) α=20° , (b) α=40°

圖13 不同氣體噴射角度下軸線上的壓力分布Fig.13 Axial static pressure curves of the gas field at different gas injection angle

圖14 不同氣體噴射角度下軸線上的速度分布Fig.14 Axial velocity curves of the gas field at different gas injection angle

3.5 導(dǎo)流管伸出長度對流場結(jié)構(gòu)的影響

如圖15所示，增加導(dǎo)流管伸出長度d會壓縮回流區(qū)的大小，使滯點(diǎn)位置向下方移動(dòng)。伸出長度d由0mm增加到12mm時(shí)，流場最大速度由618m/s增加到633m/s，但對整個(gè)流場結(jié)構(gòu)的影響不大。導(dǎo)流管長度主要影響回流區(qū)內(nèi)的壓力分布，如圖16所示，隨著導(dǎo)流管長度的不斷增加，在不同的霧化壓力下，回流區(qū)內(nèi)的靜壓呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢。霧化壓力越大，下降的幅度也越大。當(dāng)P=3.6MPa時(shí)，回流區(qū)內(nèi)靜壓由d=0mm時(shí)的117.3KPa下降到了53.8KPa，降幅達(dá)54.1%。故一定程度上增加導(dǎo)流管伸出量可以顯著降低回流區(qū)內(nèi)的靜壓，從而獲得更大的抽吸壓力。對于此噴嘴控制導(dǎo)流管伸出長度為6-8mm時(shí)可以得到較低的靜壓，從而增大抽吸壓力。

圖15 不同導(dǎo)流管伸出長度下的速度云圖：(a)d=0mm；(b)d=12mmFig.15 Velocity contour plots of the gas field at different protrusion length: (a)d=0mm, (b)d=12mm

圖16 不同霧化壓力下回流區(qū)壓力與導(dǎo)流管長度的關(guān)系Fig.16 Static pressure varies with protrusion lengths at different inlet pressure

4 結(jié)論

(1) Laval噴嘴的典型流場結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的噴嘴不同，laval噴嘴氣流從出口噴出后不形成膨脹波，不會形成閉渦的流場結(jié)構(gòu)；導(dǎo)流管下方出現(xiàn)典型錐狀氣體回流區(qū)，流場的溫度會隨著氣體膨脹加速而下降。不同壓力下的流場結(jié)構(gòu)非常類似，只是隨著氣壓的增加，流場速度增加，區(qū)域增大，而導(dǎo)流管靜壓隨著壓力增加先是保持較低值，然后逐漸升高。

(2) 霧化氣體的動(dòng)能與溫度相關(guān)，提升氣體溫度可以線性的提升流場的速度，同時(shí)提升流場溫度，是細(xì)化粉末粒度的一種重要方法。

(3) 隨著氣體噴口孔心距D的增大，回流區(qū)區(qū)域逐漸增大，流場速度降低，導(dǎo)流管出口靜壓也逐漸降低，但是當(dāng)D增大到一定程度后，導(dǎo)流管靜壓趨于穩(wěn)定，不再隨之降低。為了提高抽吸壓力并使氣體集中作用于熔體，控制D在26.8mm-32.8mm之間較為合適。

(4) 氣體噴射角度α?xí)@著影響流場結(jié)構(gòu)，隨著α的增加，流場的速度也隨之增加，且氣體相遇后反射作用增強(qiáng)，形成較強(qiáng)的反射波。但是增大α的同時(shí)會增加導(dǎo)流管出口處的靜壓，減小抽吸壓力，降低臨界霧化壓力，故不宜過大，控制α在30°左右較為合適。

(5) 導(dǎo)流管伸出長度d同樣是影響流場結(jié)構(gòu)的重要因素，隨著d的增加，流場速度略有增加，而回流區(qū)內(nèi)靜壓有一個(gè)先降低后升高的變化趨勢，并在6-8mm時(shí)達(dá)到最低值，控制d在此范圍有利于獲得較大的抽吸壓力。