基于FLUENT的變間距噴霧干涉數(shù)值模擬

唐 聰

(成都市西華大學機械工程學院 610039)

1 前言

中國淡水資源較少，隨著我國能源嚴重緊缺和企業(yè)浪費，人均可用能源越來越少，社會的發(fā)展和人類的生存離不開能源的合理配置。節(jié)約能源、提高利用率是緩解能源供需矛盾的根本途徑。目前，各大型企業(yè)與工廠中開始研究利用循環(huán)水節(jié)能的冷卻方式，代替原有耗能較高的電機冷卻塔冷卻，霧化冷卻降溫方式被越來越多的關(guān)注。[1-2]水冷風機結(jié)構(gòu)被提出，其原理是將帶有壓力循環(huán)水通過管路送到噴嘴，由霧滴的形式噴出，霧滴與空氣快速換熱，達到循環(huán)水降溫的目的。為提高液滴與空氣接觸面積從而提高冷卻效率，霧化降溫裝置常采用多個噴頭進行組合，噴霧時便會產(chǎn)生干涉區(qū)域。在干涉范圍中，霧滴密度變大，受到湍流脈動的作用，霧滴運動具有很大的隨機性，霧滴間發(fā)生碰撞的過程不可避免。陳曦，葛少成[3]對多噴嘴噴霧效果進行了干涉數(shù)值模擬，通過增加噴頭數(shù)目可產(chǎn)生更加均勻的粒徑分布，同時可提高除塵效率。徐勝榮[4]等對一種旋轉(zhuǎn)式雙噴嘴噴頭進行研究，通過改變噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)可改變霧化射程與噴射方式。孫婧元[5]等利用聲發(fā)射技術(shù)，結(jié)合多次掃描累加的快速傅里葉變換與聲能量分析等處理手段，發(fā)現(xiàn)了噴霧聲信號隨霧化效果的變化而改變的規(guī)律。吳恩啟[6]通過實驗與仿真結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)噴嘴噴霧實驗結(jié)果和FLUENT仿真結(jié)果誤差在6.5%以內(nèi)，驗證了仿真方法的合理性和有效性。

本文基于FLUENT軟件，在充分考慮湍流模型、組分模型、能量方程、破碎模型、碰撞模型的方式下，以改變間距的方式對雙噴頭的霧化效果進行數(shù)值模擬，研究噴頭間距對霧化效果的影響。

2 霧滴破碎與碰撞理論

2.1 破碎模型

TAB破碎模型是研究液滴變形與破碎的經(jīng)典方法，[7]該模型是由液滴的振動與彈簧系統(tǒng)進行泰勒類比得到的。其原理是將液滴表面張力Fσ類比彈簧剛度，液滴阻力Fα類比外力，液滴黏性力Fμ類比阻尼力。為便于描述，引入變形率y，為一個無量綱數(shù)：

式中：x為初始液滴赤道半徑的變形量，m；r為初始水滴半徑，m；Cb為無量綱數(shù)，通過實驗，Cb=0.5。

液滴在空氣阻力的作用下發(fā)生變形，則球形液滴的受力方程為：

式中：ρa、ρd分別表示空氣與水滴的密度，kg/m3；ua、ud分別表示空氣與水滴的速度，m/s;

σ表示水的表面張力，N/m；μd為液滴的動力粘度，kg/(m·s)；當y=1，則認為液滴已經(jīng)破碎；CF、Ck、Cd為無量綱參數(shù)：CF=1/3，Ck=8，Cd=5。[8]

2.2 碰撞模型

當兩個霧滴顆粒發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生聚合或分兩種結(jié)果。韋伯數(shù)We和斜碰率C可描述液滴碰撞前的初始條件。[9]霧滴在碰撞之前，霧滴動能與表面張力之比為韋伯數(shù)；兩個霧滴之間用斜碰率表示碰撞狀態(tài)，看是否為正碰。當0＜C＜1，即斜碰率較大時，為斜碰分離，碰撞效果主要由于流體的相對剪切運動造成;當C=0，即斜碰率較小時，碰撞效果為正碰分離，主要由于初始動能過大引起，當C≥1時，液滴之間不會發(fā)生碰撞。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為特征流速，m/s；r1、r2為特征長度，m；σ為流體的表面張力系數(shù)，N/m。

隨著霧滴初始動能增大，如果韋伯數(shù)較小時，兩個霧滴碰撞瞬間會聚合成較大霧滴，隨著韋伯數(shù)增加，兩個霧滴碰撞后會發(fā)生分離，產(chǎn)生多個更小粒徑的霧滴。如果已知霧滴群的粒徑分布情況，可以通過下式計算出粒徑ri與粒徑rj的碰撞概率：

3 模擬方法

霧化場簡化為直徑4m、高為6m的圓柱，用ICEM劃分網(wǎng)格如圖1所示。中央粒子集中區(qū)域進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量為54萬個，質(zhì)量在0.7以上，滿足霧化仿真要求。將網(wǎng)格導入FLUENT，打開雙精度增加模擬準確性。打開組分方程描述霧化場初始成分；打開能量方程追蹤噴霧過程能量變化；噴霧過程是一種急劇變化的過程，打開湍流方程k-ε模型描述；噴霧過程中，霧滴會發(fā)生破裂與碰撞，碰撞過程中又會發(fā)生破裂與結(jié)合，因此打開離散相方程，打開breakup破碎方程與隨機碰撞方程，通過injection設(shè)置噴頭數(shù)量、結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始條件，噴頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與初始條件如表1所示。用Couple耦合方式進行迭代以提高模擬準確度，均采用瞬態(tài)數(shù)值模擬方法，時間步長為0.001s，噴射介質(zhì)為55℃的待冷卻的液態(tài)水，外界為30℃的大氣，液滴均可逃逸。首先對單噴頭數(shù)值模擬后，改變噴頭數(shù)量，改變雙噴頭間距為120mm、150mm、180mm，分別進行數(shù)值模擬。

圖1 霧化場網(wǎng)格

圖2 噴頭結(jié)構(gòu)

表1 噴頭結(jié)構(gòu)與初始條件

4 計算結(jié)果與分析

4.1 計算結(jié)果

通過切片與捕捉的方法，捕捉霧滴軌跡如圖3所示，捕捉溫度云圖如圖4所示，獲得單噴頭與不同間距下的霧滴平均直徑離散數(shù)量概率分布如圖5所示：

圖3 霧滴軌跡

圖4 各條件溫度云圖

圖5 各條件下粒徑概率分布

4.2 結(jié)果分析

由圖4可知，隨著間距的增大，干涉區(qū)域水溫變化量較小，隨著間距增大中間軸線溫度有減小趨勢。由圖5分析可知，單噴頭時，粒徑大小主要分布在0.15～0.6mm之間，最大粒徑可達1.8mm；雙噴頭間距為120mm時，粒徑主要分布區(qū)域在0.1～0.8mm之間，最大的液滴直徑到達2mm；間距為150mm時，粒徑主要分布在0.1～0.75mm之間，最大液滴直徑達到了2.2mm；間距為180mm時，粒徑主要分布在0.1～0.6mm之間，最大液滴直徑超過了1.6mm。但與噴頭粒徑結(jié)果相比，噴頭為兩個時，提高了霧滴之間相互碰撞與結(jié)合的概率，大粒徑顆?？赏ㄟ^碰撞破碎后減小粒徑，小粒徑也可能碰撞后結(jié)合成較大徑粒，從而提高了粒徑的均勻性，使得平均直徑分布區(qū)間粒徑比率相應增加。

5 結(jié)論

通過FLUENT數(shù)值模擬的方法，對單噴頭與雙噴頭在不同間距下霧化效果進行了仿真。從仿真結(jié)果來看，當噴頭數(shù)量增加時，可以提高粒徑分布均勻性；噴頭間距的改變可影響霧滴的均勻性以及最大霧滴尺寸。本文對多噴頭具體布置設(shè)計有一定參考價值。