噴嘴入口傾斜角對(duì)干法造粒制備Si3N4顆粒霧化過(guò)程的影響

廖達(dá)海，方永振，周賤根，甘振華，方長(zhǎng)福，吳南星

噴嘴入口傾斜角對(duì)干法造粒制備Si3N4顆粒霧化過(guò)程的影響

廖達(dá)海，方永振，周賤根，甘振華，方長(zhǎng)福，吳南星

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，景德鎮(zhèn) 333403)

針對(duì)干法造粒制備Si3N4顆粒過(guò)程，基于流體體積函數(shù)(volume of fluid，VOF)方法，采用湍流模型中可實(shí)現(xiàn)的模型(為湍流動(dòng)能，為耗散率)，模擬計(jì)算噴嘴入口的傾斜角度對(duì)空氣芯、霧化錐角和噴嘴出口處黏結(jié)液速度的影響，并采用干法造粒制備Si3N4陶瓷顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明：隨傾斜角度從0°增大到30°，噴嘴內(nèi)空氣芯區(qū)域面積由約占總面積的18%增大到25%，空氣芯的平均直徑增大，同時(shí)噴嘴出口處的黏結(jié)液速度梯度由4.43～5.06 m/s增大到5.69～6.32 m/s，霧化錐角由63°增大到74°，從而加快黏結(jié)液膜的破碎過(guò)程；而當(dāng)傾斜角度增大到45°時(shí)，空氣芯的平均直徑、噴嘴出口處黏結(jié)液的速度和霧化錐角都最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，霧化噴嘴的入口傾斜角度為30°時(shí)，Si3N4顆粒粒度最細(xì)。數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

Si3N4顆粒；黏結(jié)液；VOF方法；噴嘴入口傾斜角度；空氣芯；霧化錐角

干法造粒是制備Si3N4顆粒的一種新方法，是將黏結(jié)液的霧化液滴與粉體混合在一起，通過(guò)兩者間的靜電力吸附并結(jié)合，形成聚合物，再經(jīng)過(guò)高速立柱修形，最后經(jīng)過(guò)干燥以及篩分制得Si3N4顆粒。所得顆粒尺寸一般為150 μm左右，常用于制備高性能Si3N4陶瓷。與傳統(tǒng)的濕法造粒技術(shù)相比，采用干法造粒制備Si3N4顆粒，具有工藝簡(jiǎn)單、能源利用率高、成本低、效益高等優(yōu)點(diǎn)[1?3]。然而，采用干法造粒技術(shù)制備Si3N4顆粒時(shí)，黏結(jié)劑過(guò)多，制得的Si3N4顆粒存在流動(dòng)性差、成形壓縮比小和成形率低等缺陷[4?6]。研究表明，采用合適的噴嘴入口傾斜角度能提高黏結(jié)液的霧化效果[7]，進(jìn)而提高Si3N4顆粒的性能。因此，分析噴嘴入口的傾斜角度對(duì)干法制備Si3N4顆粒霧化過(guò)程的影響，對(duì)于有效改善Si3N4顆粒缺陷具有一定的理論指導(dǎo)意義。由于干法造粒的霧化噴嘴內(nèi)部為復(fù)雜的空氣?黏結(jié)液組成的氣?液兩相流動(dòng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)難以測(cè)得噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的體積分?jǐn)?shù)分布、壓力分布和速度分布。隨著計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，數(shù)值分析成為研究噴嘴流場(chǎng)的有效手段之一。BELHADEF等[8]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)方法分析壓力離心式噴嘴的霧化過(guò)程，求解氣?液界面的平均密度平衡方程，得到液滴的平均直徑。JIA等[9]采用混合多相流模型和全空化模型對(duì)錐形噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為空化(即液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程)的發(fā)展對(duì)噴嘴出口處的液膜厚度和速度有顯著影響，從而改變霧化角度和平均液滴直徑。AMINI[10]采用CFD方法分析噴嘴的幾何參數(shù)對(duì)液體黏性和非黏性的影響，并通過(guò)克服壓力離心式噴嘴中的旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的黏性，預(yù)測(cè)空氣芯的形成條件。劉國(guó)庫(kù)等[11]采用流體體積函數(shù)(VOF)方法對(duì)離心式噴嘴內(nèi)部的氣–液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果表明增大噴嘴旋流室內(nèi)徑與出口段直徑比，能減小液膜厚度和霧化錐角。陳晨等[12]基于VOF方法和RNG模型對(duì)敞口式離心噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)和外部霧化特性進(jìn)行數(shù)值模擬，清晰地捕獲到噴嘴中心軸線處的空氣渦及內(nèi)部的回流區(qū)，隨噴注壓降增大，液膜的破碎長(zhǎng)度降低，霧化錐角增大。以上關(guān)于霧化噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的研究，可為分析干法造粒的黏結(jié)液在霧化噴嘴內(nèi)的流場(chǎng)分布提供一定理論參考。采用合適的噴嘴入口傾斜角度能有效改善Si3N4顆粒流動(dòng)性差、成形壓縮比小和成形率低等缺陷，但學(xué)者們未通過(guò)VOF方法對(duì)干法制備Si3N4顆粒的霧化效果進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)3種具有不同入口傾斜角度的噴嘴建立三維模型，簡(jiǎn)化噴嘴模擬區(qū)域并構(gòu)建噴嘴三維物理模型，采用realizable模型模擬計(jì)算噴嘴內(nèi)部黏結(jié)液的湍流狀態(tài)，研究噴嘴入口傾斜角度對(duì)空氣芯、霧化錐角和噴嘴出口處黏結(jié)液速度的影響，并通過(guò)干法造粒制備Si3N4陶瓷顆粒，驗(yàn)證數(shù)值分析的正確性。研究結(jié)果對(duì)預(yù)測(cè)和優(yōu)化黏結(jié)液在噴嘴內(nèi)的流場(chǎng)分布和外部噴霧特性，從而有效提高Si3N4顆粒性能具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 噴嘴旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)理論基礎(chǔ)

1.1 VOF方法

噴嘴內(nèi)部的氣?液兩相流動(dòng)非常復(fù)雜，準(zhǔn)確捕捉噴嘴內(nèi)部空氣?黏結(jié)液組成的氣?液兩相界面是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。VOF模型由HIRT等[13]提出，能有效處理連續(xù)相運(yùn)動(dòng)和連續(xù)相與分散相耦合等問(wèn)題，在固定網(wǎng)格的情況下實(shí)現(xiàn)界面重建[14]。此外，利用VOF模型還可精確地跟蹤氣?液界面的幾何和拓?fù)渥兓?，適用于計(jì)算任何兩種互不混合、互不滲透且兩相間滑移可忽略的流體流動(dòng)過(guò)程[15]。干法造粒的霧化噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的工作介質(zhì)為黏結(jié)液和空氣，當(dāng)黏結(jié)液和空氣的壓縮性不強(qiáng)時(shí)，適用于VOF模型。該模型用體積分?jǐn)?shù)函數(shù)來(lái)表示噴嘴網(wǎng)格計(jì)算區(qū)域內(nèi)第二相的體積分?jǐn)?shù)，本文以空氣為第一相，黏結(jié)液為第二相。若黏結(jié)液的體積分?jǐn)?shù)(黏結(jié)液)=0，則噴嘴計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)全部為空氣；若(黏結(jié)液)=1，則噴嘴計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)全為黏結(jié)液；若0<(黏結(jié)液)<1，則噴嘴計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)為空氣和黏結(jié)液的氣?液兩相混合物。

給定黏結(jié)液填充噴嘴的時(shí)間和黏結(jié)液的初始體積分?jǐn)?shù)的分布，黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)的輸送方程(即黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系)為：

在噴嘴內(nèi)空氣與黏結(jié)液構(gòu)成的氣?液兩相混合區(qū)中，氣?液兩相混合物的密度和動(dòng)力黏度分別表達(dá)為：

1.2 黏結(jié)液霧化過(guò)程控制方程

對(duì)于噴嘴內(nèi)復(fù)雜的氣?液兩相流動(dòng)，為便于求解方程，作以下假設(shè)：1) 空氣和黏結(jié)液都是不可壓縮的流體。2) 空氣與黏結(jié)液之間不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)和物理相變。3) 忽略黏結(jié)液與噴嘴壁面之間的摩擦熱，不存在能量耗散。4) 采用無(wú)滑移、靜止的壁面，不考慮回流影響。5) 黏結(jié)液在噴嘴內(nèi)外的流動(dòng)均為三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。一切流體的流動(dòng)和傳熱過(guò)程都遵循物理界中質(zhì)量、動(dòng)量及能量三大守恒定律?？紤]到黏結(jié)液在干法造粒霧化噴嘴的旋流室內(nèi)作強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動(dòng)，realizable模型適合于黏結(jié)液在噴嘴內(nèi)的湍流計(jì)算。根據(jù)對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的分析，噴嘴內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生任何熱傳遞，忽略不同相間的摩擦熱損失，在計(jì)算中不需要求解能量方程，僅需要求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程?？刂品匠倘缦拢?/p>

1) 連續(xù)性方程

干法造粒霧化噴嘴內(nèi)為復(fù)雜的空氣?黏結(jié)液兩相流動(dòng)，在單位時(shí)間內(nèi)，從噴嘴外部流進(jìn)的黏結(jié)液微元體的質(zhì)量和噴嘴內(nèi)黏結(jié)液微元體質(zhì)量的增加量相等，黏結(jié)液霧化過(guò)程的質(zhì)量守恒方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中：為空氣?黏結(jié)液兩相混合物的密度；為黏結(jié)液填充霧化噴嘴的時(shí)間；v、v和v分別是流體在、和三個(gè)方向上的速度。

2) 動(dòng)量守恒方程

流體的動(dòng)量守恒方程即Navier-Stokes方程，物理意義是微元體中流體元對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在這個(gè)流體元上的各種外力的和。由于干法造粒的霧化噴嘴內(nèi)為旋流強(qiáng)度較大的湍流運(yùn)動(dòng)，因此本文在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)，得到黏結(jié)液微元體中流體元在、和方向的動(dòng)量方程分別如下：

方向的動(dòng)量方程：

方向的動(dòng)量方程：

式中：為黏結(jié)液的重力(，為黏結(jié)液的質(zhì)量)；γ、γ和γ表示黏結(jié)液和空氣二者在、和三個(gè)方向的表面張力。

方向的動(dòng)量方程：

1.3 方程離散及求解

為準(zhǔn)確求解黏結(jié)液在干法造粒霧化噴嘴的流場(chǎng)，通過(guò)控制體積法將黏結(jié)液霧化過(guò)程的理論方程轉(zhuǎn)化為數(shù)值求解的代數(shù)方程，根據(jù)每個(gè)控制體的變量生成相應(yīng)的離散方程。變量的離散類型列于表1。壓力?速度耦合方法是基于壓力和速度的耦合數(shù)值仿真求解方法，包括SIMPLE、SIMPLEC和PISO等方法，而PISO法能更好地解決網(wǎng)格質(zhì)量差時(shí)收斂難度大的問(wèn)題。選擇隱式非定常求解器作為數(shù)值計(jì)算求解器，庫(kù)朗數(shù)控制在0.25以下。為提高計(jì)算的穩(wěn)定性和精度，采用亞松弛因子對(duì)各變量進(jìn)行求解，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為6×10?7s，每一步最大迭代次數(shù)為200次，收斂條件為黏結(jié)液的出口流速等于入口流速，當(dāng)黏結(jié)液的出口流速不再變化時(shí)，噴嘴內(nèi)氣?液兩相混合界面趨于穩(wěn)定。

表1 PISO方法中各變量的離散化求解方程

2 噴嘴模擬區(qū)域的簡(jiǎn)化

為探究噴嘴入口的傾斜角度對(duì)干法制備Si3N4顆粒霧化過(guò)程的影響，采用SolidWorks軟件對(duì)噴嘴入口傾斜角度分別為0°、15°、30°和45°的霧化噴嘴進(jìn)行三維建模，分析噴嘴入口的傾斜角度對(duì)黏結(jié)液在噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)分布和外部的霧化錐角以及黏結(jié)液速度的影響。由于入口傾斜角度的改變不會(huì)改變噴嘴本身的結(jié)構(gòu)組成和幾何尺寸，以傾斜0°的霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)組成和幾何尺寸為參考。圖1所示為入口傾斜角度分別為0°、15°、30°和45°的4種霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。不同入口傾斜角度的噴嘴結(jié)構(gòu)和組成一致，均由切向入口、旋流室、收縮段和出口等直段組成，且所有的噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同，噴嘴總長(zhǎng)度為35 mm，旋流室高度s為21.24 mm，噴嘴出口等直段長(zhǎng)度o為2.5 mm，切向入口直徑t為8 mm，旋流室內(nèi)徑s為20 mm，出口的直徑o為7 mm，收縮角(噴嘴出口內(nèi)部所張開(kāi)的角度)為60°。

3 黏結(jié)液霧化過(guò)程物理模型

3.1 邊界條件設(shè)置

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)具有不同入口傾斜角的4種霧化噴嘴進(jìn)行三維建模，再將噴嘴三維模型導(dǎo)入ICEM中進(jìn)行邊界條件設(shè)置。由于4種噴嘴的邊界條件相同，因此僅選取入口傾斜角度為30°的噴嘴作為參考，邊界條件如圖2所示。從圖2可知數(shù)值模擬區(qū)域包括旋流室、收縮段、出口等直段和上底面直徑為50 mm、下底面直徑為80 mm、高度為50 mm的圓臺(tái)4部分。噴嘴入口邊界條件設(shè)為壓力入口，總壓設(shè)為0.7 MPa，黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，只有黏結(jié)液進(jìn)入到噴嘴內(nèi)。噴嘴出口邊界條件設(shè)為壓力出口，噴嘴出口總壓設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0，保證黏結(jié)液從噴嘴出口噴出后不回流，提高數(shù)值模擬的精度。噴嘴的其余區(qū)域設(shè)置為無(wú)滑移的靜止墻，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。噴嘴三維物理模型的坐標(biāo)原點(diǎn)為圓臺(tái)上底面的中心，噴嘴軸線方向?yàn)榉较颍c方向垂直的面為面。黏結(jié)液的密度設(shè)為2 000 kg/m3，動(dòng)力黏度設(shè)為0.02 kg/(m?s)。

3.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

通過(guò)網(wǎng)格劃分軟件ICEM對(duì)具有不同噴嘴入口傾斜角度的4種多相流旋轉(zhuǎn)耦合場(chǎng)霧化噴嘴進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分。圖3所示為入口傾斜角度=30°的霧化噴嘴三維網(wǎng)格模型示意圖。=0°、15°和45°的噴嘴網(wǎng)格劃分條件與=30°的相同。采用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜的噴嘴切向入口部分至旋流室的區(qū)域進(jìn)行劃分，其余部分結(jié)構(gòu)的截面均為規(guī)則的圓形，因此采用O型分塊進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分。為進(jìn)一步提高網(wǎng)格計(jì)算精度，采用Prism網(wǎng)格對(duì)切向入口與旋流室相交區(qū)域進(jìn)行加密，對(duì)旋流室邊緣處的四面體網(wǎng)格和收縮段的六面體網(wǎng)格進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并。根據(jù)各噴嘴的網(wǎng)格劃分，得到分別為0°、15°、30°和45°的噴嘴網(wǎng)格的相關(guān)參數(shù)，如表2所列。

圖1 具有不同入口傾斜角度的霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(a) Axial section of nozzle; (b) Radial section of nozzle; (c)=15°; (d)=30°; (e)=45°

圖2 入口傾斜角度α為30°的霧化噴嘴物理模型示意圖

圖3 α為30°的噴嘴三維網(wǎng)格模型示意圖

表2 不同α的噴嘴網(wǎng)格參數(shù)

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用瞬態(tài)數(shù)值模擬方法對(duì)黏結(jié)液在霧化噴嘴內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。網(wǎng)格密度直接影響計(jì)算結(jié)果的精度，因此有必要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)[16]，以保證數(shù)值模擬的計(jì)算穩(wěn)定性。驗(yàn)證的思路是選擇不同的網(wǎng)格密度對(duì)噴嘴內(nèi)外黏結(jié)液流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并檢查計(jì)算結(jié)果是否隨網(wǎng)格密度增大而變化。當(dāng)網(wǎng)格密度加密到一定程度，數(shù)值計(jì)算結(jié)果不變時(shí)，即認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格密度滿足計(jì)算要求，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。為了確定合適的網(wǎng)格數(shù)，本文分別選取節(jié)點(diǎn)數(shù)為61 254、82 467、115 893和148 164的噴嘴網(wǎng)格模型來(lái)模擬黏結(jié)液在霧化噴嘴的流場(chǎng)。圖4所示為由這4種不同網(wǎng)格模型計(jì)算求解得到的為30°的黏結(jié)液軸向速度。由圖可見(jiàn)，隨網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)從61 254增加到115 893，黏結(jié)液軸向速度增大，但網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為148 164對(duì)應(yīng)的黏結(jié)液軸向速度與網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為115 893對(duì)應(yīng)的黏結(jié)液軸向速度很接近，二者的軸向速度曲線幾乎重合，表明軸向速度曲線趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步增加網(wǎng)格密度對(duì)模型的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

4 數(shù)值求解結(jié)果與討論

4.1 黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)分布

圖5所示為干法造粒霧化噴嘴的黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)分布。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行圖像識(shí)別，計(jì)算出分別為0°、15°、30°、45°的噴嘴軸線處空氣芯區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)(即空氣芯區(qū)域面積與總面積的比值)分別為18%、20%、25%和10%，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行識(shí)別測(cè)量，得到霧化錐角分別為63°、70°、74°和55°。隨從0°增大到30°，噴嘴內(nèi)空氣芯區(qū)域的面積分?jǐn)?shù)從18%增大到25%，霧化錐角由63°增大到74°，空氣芯的軸向分布方式由間斷式分布轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)性分布；而當(dāng)從30°進(jìn)一步增大到45°時(shí)，空氣芯區(qū)域面積大幅度減小，其面積分?jǐn)?shù)從25%減小到10%，軸向分布方式由連續(xù)式分布轉(zhuǎn)變?yōu)殚g斷式分布，旋流室上半部分的軸線中心處沒(méi)有出現(xiàn)空氣芯，霧化錐角由74°減小到55°?？諝庑緟^(qū)域面積越大，空氣芯的平均直徑越大，出口處的黏結(jié)液液膜厚度越小，霧化錐角越大，則說(shuō)明黏結(jié)液的霧化范圍越大，因而霧化效果越好，噴出的微小液滴越均勻。由圖5可知30°的噴嘴的空氣芯平均直徑和霧化錐角較大，更有利于霧化造粒。

圖5 霧化噴嘴黏結(jié)液體積分?jǐn)?shù)的分布

(a)=0°; (b)=15°; (c)=30°; (d)=45°

4.2 壓力分布

圖6所示為霧化噴嘴的壓力分布。由圖可見(jiàn)，由壁面兩側(cè)往軸線中心處，壓力逐漸減小，為0°、15°、30°和45°的噴嘴，其旋流室內(nèi)部壓力梯度為657.431～730.974 kPa的區(qū)域面積分別約占總面積的7%、14%、20%和9%；隨增大，噴嘴出口附近形成的負(fù)壓先逐漸增大然后減小，且=45°的噴嘴出口處附近的負(fù)壓最小。隨從0°增大到30°，最大壓力區(qū)域的面積增大，從而產(chǎn)生更大的原動(dòng)力驅(qū)動(dòng)黏結(jié)液作自上向下的高速旋流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使旋流強(qiáng)度增大，噴嘴出口處附近的負(fù)壓由9.373 kPa增大到11.429 kPa，導(dǎo)致更多的外部空氣被倒吸到噴嘴內(nèi)部，獲得平均直徑更大的空氣芯；而當(dāng)從30°繼續(xù)增大到45°時(shí)，最大壓力區(qū)域面積減小，黏結(jié)液在旋流室內(nèi)的旋流強(qiáng)度降低，噴嘴出口附近的負(fù)壓由11.429 kPa減小到7.642 kPa。以上結(jié)果表明，=30°的霧化噴嘴旋流室內(nèi)部分布的最大壓力區(qū)域面積較大，能顯著增強(qiáng)黏結(jié)液的旋流強(qiáng)度，噴嘴出口附近形成的負(fù)壓較大，可增強(qiáng)對(duì)黏結(jié)液液膜的破碎效果，因而更有利于霧化。

4.3 黏結(jié)液速度分布

4.3.1 軸向速度分布

圖7所示為具有不同入口傾斜角度的噴嘴黏結(jié)液軸向速度分布。由圖7可見(jiàn)，為0°、15°、30°和45°的噴嘴，其出口處黏結(jié)液的最大軸向速度梯度分別為4.43～5.06、5.69～6.32、5.69～6.32和4.43～5.06 m/s。切向入口與旋流室成一定的角度，導(dǎo)致黏結(jié)液除了受離心力作用之外，還受到軸向力的作用，隨著時(shí)間的推移，軸向力轉(zhuǎn)化為離心力。隨由0°增大到30°，軸向力轉(zhuǎn)化成的離心力增大，使旋流室內(nèi)黏結(jié)液的旋流強(qiáng)度增強(qiáng)，從而使出口處的黏結(jié)液最大軸向速度梯度由4.43～5.06 m/s增大到5.69～6.32 m/s，可加快黏結(jié)液液膜的破碎過(guò)程；而從30°增大到45°時(shí)，由于切向入口傾斜角度過(guò)大，黏結(jié)液受到的軸向力過(guò)大，導(dǎo)致黏結(jié)液的旋流運(yùn)動(dòng)減弱，大部分黏結(jié)液由原來(lái)的旋流運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng)，旋流室內(nèi)黏結(jié)液的旋流強(qiáng)度減弱，出口處的黏結(jié)液最大軸向速度梯度又減小到4.43～5.06 m/s，對(duì)霧化效果產(chǎn)生不利影響。另外，為30°的噴嘴由于黏結(jié)液與外界空氣的速度差更大，從而產(chǎn)生較大的空氣動(dòng)力，使得黏結(jié)液液膜變?yōu)榧?xì)小的黏結(jié)液液滴，更有利于霧化。

圖6 黏結(jié)液的軸向壓力分布

(a)=0°; (b)=15°; (c)=30°; (d)=45°

圖7 黏結(jié)液的軸向速度分布

(a)=0°; (b)=15°; (c)=30°; (d)=45°

4.3.2 徑向速度分布

圖8所示為=1.25 mm處的截面的黏結(jié)液徑向速度分布。由圖可見(jiàn)，4種噴嘴的黏結(jié)液徑向速度均在距圓形截面的中心2/3處達(dá)到最大，并呈現(xiàn)從2/3處往外逐漸減小的規(guī)律，為0°和45°的噴嘴的黏結(jié)液最大徑向速度梯度相等，為4.43～5.06 m/s，而=15°和30°的噴嘴的黏結(jié)液最大徑向速度梯度相等，為5.69～6.32 m/s。在黏結(jié)液最大徑向速度相同的前提下，為45°的噴嘴黏結(jié)液最大徑向速度區(qū)域面積大于為0°的噴嘴，為30°的噴嘴黏結(jié)液最大徑向速度區(qū)域面積大于為15°的噴嘴。隨從0°增大到30°，黏結(jié)液的最大徑向速度梯度由4.43～5.06 m/s增大到5.69～6.32 m/s，噴嘴出口處的黏結(jié)液液膜所受到的離心力增大，使得從噴嘴出口處噴出的黏結(jié)液徑向速度增大，進(jìn)而使黏結(jié)液與外界空氣的速度差增大，黏結(jié)液霧化液膜分裂成更細(xì)小的液滴；而當(dāng)從30°繼續(xù)增大到45°時(shí)，黏結(jié)液的最大徑向速度梯度減小到4.43～5.06 m/s。上述結(jié)果表明，入口傾斜角度為30°的干法造粒霧化噴嘴出口處黏結(jié)液的徑向速度較大且分布范圍較廣，霧化效果更好。

圖8 黏結(jié)液的徑向速度分布

(a)=0°; (b)=15°; (c)=30°; (d)=45°

5 干法噴霧造粒制備Si3N4顆粒

5.1 Si3N4顆粒制備與性能測(cè)試

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，用干法噴霧造粒法制備Si3N4顆粒。所用原料為中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)的Si3N4粉末和羧甲基纖維素鈉粉末。制備過(guò)程如下：將配好的密度為2 000 kg/m3、黏度為0.02 kg/(m?s)(與數(shù)值模擬設(shè)計(jì)的黏結(jié)液密度與黏度相同)的羧甲基纖維素鈉溶液注入儲(chǔ)液罐中，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵，儲(chǔ)液罐中的黏結(jié)液通過(guò)水泵的吸力沿流通管道進(jìn)入到霧化噴嘴，最終從噴嘴出口噴出，完成霧化過(guò)程。通過(guò)壓力控制閥調(diào)節(jié)流通管道中的壓力，由壓力傳感器對(duì)流通管道中的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證霧化實(shí)驗(yàn)的入口壓力與數(shù)值模擬的入口壓力一致，并由流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黏結(jié)液的流量變化。從噴嘴出口噴出的黏結(jié)液霧化液滴與Si3N4粉體混合在一起，通過(guò)兩者間的靜電力吸附并相結(jié)合，形成小型聚合物，完成干法制備Si3N4顆粒的霧化增濕過(guò)程。霧化增濕后的Si3N4粉體通過(guò)干法造粒裝置，小型聚合物與裝置內(nèi)的高速旋轉(zhuǎn)的立柱以及其它小型聚合物發(fā)生碰撞達(dá)到修整外形的效果，再經(jīng)過(guò)干燥和篩分，最后形成Si3N4顆粒。

利用PL-100Z水分測(cè)試儀測(cè)定Si3N4顆粒的含水率。用EM-30AX掃描電鏡(SEM)觀察Si3N4顆粒的微觀形貌，并測(cè)定顆粒粒度。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 Si3N4顆粒的含水率

顆粒的含水率能反映黏結(jié)液霧化液滴的大小，從而間接地反映噴嘴出口處黏結(jié)液液膜的厚度。圖9所示為4種不同入口傾斜角度的噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒含水率(H2O)。在10 s之前，隨測(cè)量時(shí)間增加，不同噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒的含水率都逐漸增加，但在10 s之后，Si3N4顆粒的含水率均達(dá)到穩(wěn)定，不再隨時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生變化。相同時(shí)刻，4種噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒的含水率按照入口傾斜角度依次為30°、15°、0°、45°的順序逐漸增大，即為45°的噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒含水率最大，為30°的噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒含水率最小。這表明為45°的噴嘴出口處的黏結(jié)液液膜厚度最大，噴嘴噴出的黏結(jié)液霧化液滴的尺寸最大；而為30°的噴嘴出口處的黏結(jié)液液膜厚度最小，噴出的黏結(jié)液液滴最小。噴嘴出口處黏結(jié)液的液膜厚度越小，表明噴嘴內(nèi)部空氣芯的平均直徑越大，所以Si3N4顆粒的含水率分析結(jié)果能夠很好地驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。

圖9 用不同噴嘴制備的Si3N4顆粒含水率隨測(cè)試時(shí)間的變化

5.2.2 Si3N4顆粒形貌

圖10所示為具有不同入口傾斜角度的噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒SEM形貌。從圖看出，=30°對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒尺寸最小，=45°對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒尺寸最大。根據(jù)SEM照片，測(cè)出分別為0°、15°、30°、45°對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒平均粒度分別約為170、110、80和180 μm。即隨從0°增大到30°，Si3N4顆粒的平均粒度由170 μm減小到80 μm，間接地反映噴嘴出口處的黏結(jié)液液膜厚度隨增大而減小。而當(dāng)噴嘴入口傾斜角度進(jìn)一步增大到45°時(shí)，Si3N4顆粒的平均粒度增大到180 μm，這說(shuō)明當(dāng)噴嘴出口內(nèi)徑超出最佳范圍時(shí)，黏結(jié)液液膜厚度增大。因此認(rèn)為入口傾斜角度為30°的干法造粒霧化噴嘴的霧化性能最好，黏結(jié)液的霧化效果最佳，所得Si3N4顆粒的粒度最小。這一結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。

6 結(jié)論

1) 針對(duì)干法噴霧造粒制備Si3N4顆粒，基于VOF方法，采用realizable模型進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，與入口傾斜角度=0°的噴嘴相比，=30°的噴嘴內(nèi)空氣芯平均直徑更大，霧化錐角由63°增大到74°，黏結(jié)液在噴嘴旋流室的旋流強(qiáng)度更大，噴嘴出口附近處的負(fù)壓由9 373 Pa增大到11 429 Pa，噴嘴出口處的黏結(jié)液速度增大，有利于提高黏結(jié)液的霧化效果，從而減小Si3N4顆粒的粒徑。當(dāng)進(jìn)一步增大到45°時(shí)，噴嘴內(nèi)空氣芯平均直徑、噴嘴出口附近處的負(fù)壓和黏結(jié)液速度都最小。

圖10 不同噴嘴對(duì)應(yīng)的Si3N4顆粒SEM形貌

(a)=0°; (b)=15°; (c)=30°; (d)=45°

2) 采用具有不同入口傾斜角度的噴嘴，分別為30°和45°時(shí)，Si3N4顆粒的含水率分別達(dá)到最小值(8%)和最大值(19%)。=30°時(shí)Si3N4顆粒平均粒度最小，為80 μm，黏結(jié)液液膜厚度最小。模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，模擬分析結(jié)果對(duì)于干法噴霧制粉具有一定的參考和指導(dǎo)意義。

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Effect of nozzle inlet angle on the atomization process of Si3N4particles prepared by dry granulation

LIAO Dahai, FANG Yongzhen, ZHOU Jiangen, GAN Zhenhua, FANG Changfu, WU Nanxing

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, China)

In the process of preparing Si3N4particles by dry granulation, volume of fluid (VOF) method and realizablemodel (is turbulent kinetic energy,is dissipation rate) in turbulence model were used to simulate and calculate the influence of the deflection angle α of the nozzle inlets on air core, atomization cone angle and adhesive velocity at nozzle outlet. The experimental verification of Si3N4ceramic particles prepared by dry granulation was carried out. The results show that when the deflection angleincreases from 0° to 30°, the area of air core in nozzle increases from about 18% to 25%. The mean diameter of air core increases, and the velocity gradient of binder at nozzle outlet increases from 4.43?5.06 m/s to 5.69?6.32 m/s. The spray cone angle increases from 63° to 74° and then the breakup process of the liquid film can be accelerated. When the deflection angle increases to 45°, the average diameter of the air core, the velocity of adhesive at the nozzle outlet and the atomization cone angle are the minimum. The experimental results show that the particle size of Si3N4is the smallest when the deflection angle of atomizer is 30°. The numerical results are in good agreement with the experimental results.

Si3N4particles; binder; VOF method; the deflection angle of nozzle inlets; air core; spray cone angle

TQ174.5

A

1673-0224(2020)06-527-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365018)

2020?09?26；

2020?11?10

吳南星，教授，博士。電話：18879869151；E-mail: ldhjdz1987@163.com

(編輯 湯金芝)