小桐子油及其生物柴油在旋流噴嘴中霧化特性數(shù)值模擬

王碧燦，李法社，張逸水,2，王 霜,2，陳 煜,2

(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.省部共建復(fù)雜有色金屬資源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650093)

液體燃料在應(yīng)用過程中，為了提高燃燒效率、減少有害物排放等，普遍會(huì)進(jìn)行霧化破碎[1]。與普通柴油相比，生物質(zhì)燃油較高的運(yùn)動(dòng)黏度、密度、表面張力等使其在相同條件下霧化困難、霧化質(zhì)量較差，導(dǎo)致其燃燒過程中會(huì)出現(xiàn)積炭、火焰穩(wěn)定性差等問題[2]，所以改善生物質(zhì)燃油霧化質(zhì)量對(duì)其擴(kuò)大應(yīng)用和商業(yè)發(fā)展具有重要意義。

對(duì)于霧化研究，國內(nèi)外學(xué)者研究方向存在差異[3]。Jakobs等[4]分析了高黏度生物質(zhì)燃油在雙流體噴嘴中霧化質(zhì)量隨氣體速度和反應(yīng)器壓力的變化規(guī)律，將研制的霧化噴嘴用于常壓氣流床汽化爐，探究了霧化質(zhì)量對(duì)汽化過程的影響。Lujaji等[5]為了探索生物質(zhì)燃油在工業(yè)爐窯中的應(yīng)用，采用無燃燒空氣輔助霧化噴嘴，研究了生物質(zhì)燃油與乙醇混合后的燃料霧化特性。Pandey等[6]分析了影響高黏度生物質(zhì)燃油噴霧特性的物性參數(shù)之間的相關(guān)性，噴射參數(shù)對(duì)噴霧錐角、破碎長(zhǎng)度和燃油貫穿距的影響，并對(duì)霧化特性進(jìn)行了分析及總結(jié)。龍?zhí)禰7]采用高速攝影儀和MATLAB軟件對(duì)高黏度生物油霧化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著噴射距離的增加，生物油液滴的索特平均直徑(D32)呈現(xiàn)先增大后減小再緩慢增加的變化趨勢(shì)，而液滴數(shù)目呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)。田仲富等[8]采用馬爾文激光粒度分析儀研究了生物質(zhì)燃油的霧化特性，并分析了氣液質(zhì)量流量比，沿噴孔軸向距離、徑向距離，液體的表面張力系數(shù)以及液體的黏性系數(shù)等參數(shù)對(duì)生物質(zhì)燃油霧化特性的影響。

以上學(xué)者研究了不同實(shí)際情況或不同工況下流體霧化特性，而對(duì)于生物質(zhì)燃油在高壓旋流霧化噴嘴中的霧化特性數(shù)值模擬研究較少。因此，本文針對(duì)小桐子油及其生物柴油在旋流霧化噴嘴中的霧化特性，通過Fluent軟件進(jìn)行噴嘴外部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，對(duì)不同入射壓力條件下D32、霧化總表面積、霧化速度、霧化貫穿距等霧化參數(shù)進(jìn)行探究。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文采用的噴嘴屬于壓力旋流霧化噴嘴，噴嘴由噴嘴主體及旋流芯組成，噴嘴螺桿長(zhǎng)12 mm，螺柱半徑4.75 mm，其剖面圖如圖1所示。

注：1.旋流芯；2.旋流室；3.噴孔；4.螺旋槽道。

生物質(zhì)液體燃料通過輸油管路進(jìn)入噴嘴內(nèi)腔，先沿噴嘴進(jìn)口流入，到達(dá)旋流芯后分流進(jìn)入旋流芯的旋流流道中，后沿切線方向流入旋流室內(nèi)進(jìn)行旋流，生物質(zhì)液體燃料在噴嘴錐形的旋流室中高速旋轉(zhuǎn)，最后通過噴孔離開噴嘴形成霧化流場(chǎng)。

1.2 物理模型的假設(shè)

為了方便分析，需要對(duì)實(shí)際物理現(xiàn)象進(jìn)行如下假設(shè)：

(1)在旋流芯進(jìn)液入口和旋流室中沒有流體的脫壁現(xiàn)象，進(jìn)口流量系數(shù)等于1；

(2)由于噴嘴尺寸較小，其入口和出口間的勢(shì)能差很小，流體的位勢(shì)能的變化可以忽略不計(jì)；

(3)流場(chǎng)的邊界為絕熱邊界條件，不與外界發(fā)生熱量交換；

(4)霧化介質(zhì)為常溫下的小桐子油和小桐子生物柴油，因在流動(dòng)過程中密度幾乎不隨入射壓力發(fā)生變化，可以忽略壓縮性的影響，將其看成不可壓縮的流體。

1.3 外部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型選擇

1.3.1 邊界條件與計(jì)算工況

噴嘴入口與出口均設(shè)置為壓力型，其中入口入射壓力在0.1～1.1 MPa之間，出口背壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度為25℃。本文選用小桐子油和小桐子生物柴油為研究對(duì)象，其物性參數(shù)如表1所示。固體壁面為無滑移、無質(zhì)量滲透及絕熱的固體邊界。為了確保仿真計(jì)算中的精度，避免固體邊界面附近網(wǎng)格劃分過細(xì)，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)考慮壁面對(duì)流體的影響。

表1 小桐子油和小桐子生物柴油3種物性參數(shù)對(duì)比

1.3.2 外部流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

采用DPM模型對(duì)霧化室內(nèi)的霧化顆粒進(jìn)行追蹤。霧化使用破碎模型為TAB模型。湍流模型采用RNGk-ε模型，該模型的計(jì)算優(yōu)勢(shì)為：

(1)在計(jì)算速度梯度較大的流場(chǎng)時(shí)精度更高；

(2)該模型考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)計(jì)算精度更高；

(3)該模型包括計(jì)算湍流Prandtl數(shù)(普朗特?cái)?shù),Pr)的解析公式，而不像標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型僅可以使用用戶定義的常數(shù)。

(1)

式中：μ為黏度；Cp為等壓比熱容；k為熱導(dǎo)率；α為熱擴(kuò)散系數(shù)；v為運(yùn)動(dòng)黏度。

將空氣看成連續(xù)相，生物質(zhì)液體燃料液滴為離散相，將連續(xù)相計(jì)算收斂后加入離散相進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3 網(wǎng)格劃分[9]

對(duì)于螺旋噴嘴外部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，對(duì)流場(chǎng)入口附近及流場(chǎng)中心的網(wǎng)格進(jìn)行加密，在其他條件相同的情況下，對(duì)不同疏密的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)：當(dāng)模型網(wǎng)格總單元數(shù)為47萬～56萬時(shí)，計(jì)算結(jié)果D32隨單元數(shù)的不同有著明顯變化;當(dāng)模型網(wǎng)格總單元數(shù)為57萬～65萬時(shí)，計(jì)算結(jié)果D32基本不隨單元數(shù)的增加而變化。最終取網(wǎng)格數(shù)量為575 340個(gè)，如圖2所示。

圖2 外部流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 D32

圖3為噴嘴霧化液滴D32隨入射壓力變化規(guī)律。如圖3所示，隨著入射壓力升高，D32逐漸減小，但這種減小是有限度的，當(dāng)入射壓力達(dá)到一定值后，D32變化已不明顯，即在等溫條件下，入射壓力有其臨界值，達(dá)到一定壓力后，增大入射壓力不會(huì)對(duì)D32有進(jìn)一步減小的作用。從液滴霧化能量平衡關(guān)系的角度分析，入射壓力達(dá)到臨界值之前，噴嘴出口的動(dòng)能主要用于克服表面張力和黏滯力做功，且入射壓力越大，其克服表面張力和黏滯力所做的功越多，D32越小[10]。由于D32的減小，增大了霧滴和空氣的接觸表面積，有利于熱質(zhì)交換過程的進(jìn)行。當(dāng)噴嘴入射壓力達(dá)到臨界值后，D32變化不明顯，即克服表面張力和黏滯力所做的功基本不變，其余能量轉(zhuǎn)化為液霧的動(dòng)能，且隨著噴嘴入射壓力的增大，霧滴的速度逐漸增加，從而縮短了霧滴與空氣的接觸時(shí)間，將不利于熱質(zhì)交換過程的進(jìn)行[11-12]。分析對(duì)比小桐子生物柴油旋流噴嘴D32模擬值與小桐子油旋流噴嘴D32模擬值可知，相同噴嘴及工況條件下，運(yùn)動(dòng)黏度、密度、表面張力越小，其D32越小。

圖3 噴嘴霧化液滴D32隨入射壓力變化規(guī)律

由圖3可知，采用旋流噴嘴比普通噴嘴的霧化效果更好，普通噴嘴的霧化液滴D32范圍為110～250 μm，本模擬采用的旋流噴嘴的霧化液滴D32范圍為40～130 μm，霧化液滴D32優(yōu)化較好的原因如圖4所示。由圖4中單個(gè)圖可知，當(dāng)氣液兩相流剛剛噴出噴嘴極短的時(shí)間內(nèi)，由于氣相和液相劇烈的混合作用，D32波動(dòng)較大，因?yàn)樵撃M使用的是內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的噴嘴，在螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)由于螺紋結(jié)構(gòu)對(duì)流體施加的剪切應(yīng)力作用，增加了流體的切向速度，減弱了流體的軸向速度，同時(shí)由于流體的慣性較大，會(huì)在螺紋結(jié)構(gòu)內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)間，使得流體速度有充分時(shí)間發(fā)展，由此說明內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)的噴嘴在氣液兩相噴出噴嘴的極短時(shí)間內(nèi)混合程度非常劇烈，湍流程度增強(qiáng)，混合效果較好；由圖4中8幅圖綜合分析可知，隨著霧化入射壓力的升高，其D32波動(dòng)更為劇烈，說明霧化入射壓力的升高，有助于氣液兩相的混合，體現(xiàn)在氣相對(duì)液相的破碎作用及液滴之間高速碰撞的破碎作用相互疊加效應(yīng)，即對(duì)液滴的霧化破碎優(yōu)化效果更好，D32更小。

圖4 小桐子生物柴油隨追蹤時(shí)間的延長(zhǎng)旋流噴嘴霧化液滴D32的變化規(guī)律

2.2 霧化總表面積

圖5為噴嘴入射壓力與霧化總表面積的關(guān)系。由圖5可知，霧化總表面積隨噴嘴入射壓力的升高而增大，當(dāng)入射壓力達(dá)到一定值后，霧化總表面積趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)殡S著霧化入射壓力的升高，霧化液滴破碎成相似粒徑的更多小液滴，導(dǎo)致霧化總表面積隨入射壓力的升高繼續(xù)增大，當(dāng)入射壓力達(dá)到臨界值時(shí)，霧化液滴D32變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，因而霧化總表面積趨于平穩(wěn)。霧化總表面積的增大有利于液滴的熱質(zhì)交換[13]。從小桐子油霧化總表面積模擬值與小桐子生物柴油霧化總表面積模擬值的對(duì)比可知，因?yàn)樾⊥┳佑偷倪\(yùn)動(dòng)黏度、密度、表面張力都大于小桐子生物柴油，相同條件下更難霧化，霧化液滴的破碎效果不理想，導(dǎo)致其霧化液滴D32更大，總表面積更小。

圖5 噴嘴入射壓力與霧化總表面積的關(guān)系

2.3 軸向D32

圖6、圖7分別為不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處小桐子油和小桐子生物柴油軸向D32變化規(guī)律。

圖6 小桐子油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化規(guī)律

圖7 小桐子生物柴油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化規(guī)律

由圖6和圖7可知，霧化液滴從噴口射出后，其D32呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。小粒徑主要分布在中部。這是由于液滴在噴出后，由于初始動(dòng)量大，在環(huán)境中與靜止的空氣以及不同的液滴之間發(fā)生碰撞，在克服了液滴的表面張力之后，液滴發(fā)生二次破碎，從而在流場(chǎng)中部達(dá)到其D32的最小值。隨著霧化的繼續(xù)發(fā)展，部分沒有破碎且具有較大動(dòng)量的大顆粒液滴繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，在空氣阻力作用下，由于液滴的動(dòng)量逐漸減小，且不同液滴相互碰撞后無法克服液滴的表面張力，從而合成較大的液滴，致使霧化液滴D32增大，此時(shí)，霧場(chǎng)尾部為稀疏的大顆粒液滴。隨著霧化入射壓力的升高，霧化液滴D32不斷減小。對(duì)小桐子油與小桐子生物柴油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化規(guī)律進(jìn)行比較可知，因?yàn)樾⊥┳佑偷倪\(yùn)動(dòng)黏度、密度、表面張力都較大，所以在不同入射壓力距離噴嘴不同位置處小桐子油的軸向D32更大。

圖8為0.1 MPa下小桐子油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合曲線。表2為小桐子油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合方程。

圖8 0.1 MPa下小桐子油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合曲線

表2 0.1～1.1 MPa下小桐子油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合方程

圖9為0.1 MPa下小桐子生物柴油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合曲線。表3為小桐子生物柴油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合方程。

由圖8、圖9、表2、表3可知，小桐子油和小桐子生物柴油不同入射壓力下距噴嘴不同位置處軸向D32模擬數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果符合一元二次多項(xiàng)式分布。

圖9 0.1 MPa下小桐子生物柴油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合曲線

表3 0.1～1.1 MPa下小桐子生物柴油距離噴嘴不同位置處軸向D32變化多項(xiàng)式擬合方程

2.4 霧化速度

圖10、圖11分別為小桐子油和小桐子生物柴油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處霧化速度變化規(guī)律。

圖10 小桐子油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處霧化速度變化規(guī)律

圖11 小桐子生物柴油不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處霧化速度變化規(guī)律

由圖10、圖11可知，霧化液滴的速度場(chǎng)呈現(xiàn)錐形分布，且在出口處，霧化速度最大，離出口越遠(yuǎn)，霧化速度越小，這是由于液滴在噴出后，與空氣發(fā)生碰撞，發(fā)生動(dòng)量交換，使得霧化速度逐漸降低，并且由于空氣的卷吸作用，導(dǎo)致部分液滴回流，綜合作用下，霧化速度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。不同入射壓力下小桐子油和小桐子生物柴油距離噴嘴不同位置處霧化速度變化趨勢(shì)基本相同，表明噴霧流場(chǎng)霧化速度幾何形狀的整體變化趨勢(shì)相似性比較高。

2.5 霧化液滴不同粒徑數(shù)量密度分布

通過“分組”和“統(tǒng)計(jì)頻率”的方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析?！胺纸M”就是確定直方圖的橫軸坐標(biāo)起止范圍和每個(gè)小組的起止位置。選一個(gè)比最小值小的一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹底鳛榈谝粋€(gè)組的起始坐標(biāo)，然后依次加上“分組組距”，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)值比“最大值”大為止。統(tǒng)計(jì)頻率，“頻率”就是去統(tǒng)計(jì)每個(gè)分組中所包含的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。最簡(jiǎn)單的方法就是直接在所有的數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)，但當(dāng)數(shù)據(jù)量很大的時(shí)候，這種方法不但費(fèi)時(shí)，而且容易出錯(cuò)。一般來說有兩種方法來統(tǒng)計(jì)每個(gè)小組的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)：①采用“FREQUENCY”函數(shù)法；②采用“COUNT IF”然后再去相減。這里介紹的是“FREQUENCY”函數(shù)方法：“Date_array”是選取要統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)源，就是選擇原始數(shù)據(jù)的范圍；“Bins_array”是選取直方圖分組的數(shù)據(jù)源，就是選擇分組數(shù)據(jù)的范圍。通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得霧化液滴不同粒徑數(shù)量密度分布圖，見圖12、圖13。

圖12 0.8 MPa小桐子油霧化液滴不同粒徑數(shù)量密度分布圖

圖13 0.7 MPa小桐子生物柴油霧化液滴不同粒徑數(shù)量密度分布圖

如圖12所示，將從Fluent軟件導(dǎo)出的小桐子油入射壓力為0.8 MPa下的D32數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel文檔進(jìn)行計(jì)算，D32大于300 μm、D32小于19 μm各分一組(組距未達(dá)3.20 μm)，其余數(shù)據(jù)極差為281 μm，分組86組，組距為3.20 μm。

如圖13所示，將從Fluent軟件導(dǎo)出的小桐子生物柴油入射壓力為0.7 MPa下的D32數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel文檔進(jìn)行計(jì)算，D32大于300 μm、D32小于11 μm各分一組(組距未達(dá)3.36 μm)，其余數(shù)據(jù)極差為289 μm ，分組86組，組距為3.36 μm。

由圖12和圖13可知，小桐子油和小桐子生物柴油霧化液滴粒徑數(shù)量以小粒徑為主，密度分布集中在53.76 μm和48.30 μm之前，霧化效果較好。

2.6 霧化貫穿距

圖14為小桐子油和小桐子生物柴油液滴霧化貫穿距隨霧化入射壓力變化規(guī)律。由圖14可知，初始入射壓力越大，霧化貫穿距越大，且符合線性分布，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.989 97(小桐子生物柴油)和0.996 04(小桐子油)。這是因?yàn)槌跏既肷鋲毫υ酱螅跏紕?dòng)量越大，液滴克服表面張力及黏滯力更容易，即更容易破碎成小的霧化液滴，所以霧化貫穿距越大[14]。

圖14 小桐子油和小桐子生物柴油液滴霧化貫穿距隨霧化入射壓力變化規(guī)律

3 結(jié) 論

通過Fluent軟件對(duì)小桐子油和小桐子生物柴油的霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)本研究使用的旋流霧化噴嘴比普通噴嘴對(duì)霧化液滴D32有更好的優(yōu)化效果，內(nèi)螺旋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了霧化的湍流強(qiáng)度，使得氣液兩相混合及對(duì)霧滴的破碎效果更好，D32更小。

(2)在等溫條件下，不同入射壓力對(duì)霧化液滴D32、霧化總表面積、霧化速度、霧化貫穿距影響較大。入射壓力越大，霧化液滴D32越小；入射壓力越大，霧化總表面積、霧化速度、霧化貫穿距越大。入射壓力對(duì)于霧化液滴D32的影響存在臨界值，即小桐子油霧化入射壓力達(dá)到0.8 MPa、小桐子生物柴油霧化入射壓力達(dá)到0.7 MPa后，霧化液滴D32趨于穩(wěn)定，不會(huì)隨入射壓力的增大繼續(xù)減小。

(3)通過曲線擬合及霧化液滴粒徑數(shù)量密度分析，得到了不同入射壓力下距離噴嘴不同位置處軸向D32變化的擬合方程及霧化液滴不同粒徑數(shù)量密度分布情況。