一種造雪機核子器噴嘴的噴霧性能的仿真分析

楊玉昆，王加國，施法，白鵬程，王莎莎，董子昂，金向陽,3

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱150028；2.黑龍江省乾升冰雪設(shè)備制造有限公司，哈爾濱150028；3.虛擬制造技術(shù)福建省高校重點實驗室，福建 泉州362000）

0 引言

噴霧在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用，幾乎覆蓋了所有領(lǐng)域。例如液體火箭發(fā)動機推力室內(nèi)的燃料霧化性能的好壞決定了發(fā)動機性能的高低[1]；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥的合理霧化有助于提高農(nóng)藥的利用率，降低成本[2]；噴霧濕式降塵方法在煤礦降塵工作中得到廣泛應(yīng)用，有效降低了礦井的危險指數(shù)，保障了生產(chǎn)安全[3]。另外，噴霧消毒防疫在此次疫情中扮演了重要的角色，公共場合的噴霧消毒，在控制疫情的發(fā)展中具有重要的價值和意義[4]。噴嘴是實現(xiàn)霧化的一種重要工具，研究噴嘴的噴霧機理和霧化性能，對合理利用噴嘴具有重要的參考價值和意義。本文所研究的噴嘴利用在造雪機上，用于霧化產(chǎn)生細小的液滴，在冰冷的環(huán)境下，細小的液滴通過附著空氣中的灰塵顆粒等成為晶核，通過不斷吸附空氣中的液滴生長成為冰晶，再生長成為雪花[5]。

本文針對該噴嘴，利用仿真計算的方法對其噴霧過程進行了數(shù)值模擬，分析了該噴嘴的噴霧機理和霧化性能，為造雪機核子器噴嘴的選型提供參考和幫助。

1 仿真模型的建立及網(wǎng)格的劃分

該噴嘴的實物及拆分后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用三維建模軟件SolidWorks對該噴嘴進行比例為1∶1的三維建模，獲得的三維圖形如圖2所示，利用SolidWorks中的“插入—特征—組合”命令獲得噴嘴內(nèi)的流域如圖3所示，在該流域的基礎(chǔ)上增加噴嘴外的外部流場，最后得到仿真所需的整體流域如圖4所示。

圖1 噴嘴實物及拆分展示圖

圖2 噴嘴的三維模型

圖3 噴嘴內(nèi)部流域

圖4 仿真計算整體流域

再分別用ANSYS Workbench 軟件中的ICEM.CFD網(wǎng)格劃分模塊、Fluent計算模塊及CFD-POST后處理模塊對該模型進行仿真計算和分析，仿真流程圖如圖5所示。

圖5 仿真計算流程圖

因噴嘴內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為節(jié)省前處理時間，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方法，劃分采用四面體結(jié)構(gòu)。最終劃分生成的網(wǎng)格如圖6所示。為使網(wǎng)格精度達到計算要求，對結(jié)構(gòu)尺寸較小的位置進行了局部細化處理，細化處理部分如圖7所示。生成的網(wǎng)格質(zhì)量較高，如圖8所示，沒有負網(wǎng)格，質(zhì)量均在0.72以上，滿足計算要求。

圖6 流域的網(wǎng)格劃分

圖7 局部網(wǎng)格細化處理

圖8 網(wǎng)格質(zhì)量報告圖

2 控制方程及邊界條件的設(shè)置

仿真過程中氣體和液體兩種介質(zhì)的運動由連續(xù)性方程和動量方程控制[6]，湍流模型由k-ε雙方程[7]控制。

本文采用壓力基隱式求解器進行求解。采用VOF多相流模型，湍流模型選用k-ε雙方程模型。入口條件采用pressure-inlet，入口壓力為8 MPa，入口中液相所占的比例阿偉0.95。出口條件選用outflow，表壓為0 MPa，其他的壁面條件都設(shè)定為固壁條件。收斂精度設(shè)置為10×10-5，為保證計算收斂，將迭代次數(shù)設(shè)置為1000步。進行仿真計算，仿真計算的迭代收斂結(jié)果如圖9所示。

圖9 迭代收斂圖

3 模擬結(jié)果及分析

噴嘴噴射霧化時整個流場內(nèi)的速度矢量如圖10所示，由圖10可以看出,液體在噴霧場近場的分布較少，大部分分布在噴霧場的中后段，此時的液體經(jīng)過霧化充分分散開。噴嘴部分的速度矢量圖如圖11所示，由圖11中可以看出，液體在經(jīng)過狹窄通道時，速度迅速增加，由噴嘴出口噴出時速度再次得到迅速增加。

圖10 速度矢量分布

圖11 噴嘴處速度矢量圖

噴嘴的速度體繪圖如圖12所示。由圖12可以觀測出，在噴霧場的后半段，速度的徑向分布范圍變大。噴霧場內(nèi)的中軸線上的速度變化如圖13所示。由圖13可以觀察出液體的出口速度為170 m/s，約為實際工況下液體的入口速度的10倍，液體由噴嘴出口噴出后速度急劇減小，在距離出口0.2 m處速度趨于平穩(wěn)，并在距離出口0.4 m處減小為0 m/s。

圖12 速度體繪圖

圖13 速度變化圖

噴霧場中的液相分布云圖分如圖14所示。由圖14可以觀察到，霧化過程達到穩(wěn)態(tài)時，噴霧場中的液相的體積分數(shù)集中在0.9502～0.9508之間。且分布比較均勻。而相比于噴霧近場，噴霧遠場中的液相的體積分數(shù)更高一些。另外，可以觀察到噴霧場中軸線附近的液相體積分數(shù)較低，由此可見，該噴嘴噴射霧化時，噴霧錐角為空心錐角或半空心錐角。

圖14 液相分布云圖

4 結(jié)論

為充分了解一種噴嘴的噴霧性能和霧化機理，對該噴嘴進行了三維建模，并根據(jù)實際工作條件進行了數(shù)值模擬仿真。對該噴嘴的噴射速度、噴霧場中的液相的分布等信息進行了分析和直觀了解。

1）液體經(jīng)過該噴嘴的加速后，出口處的液體速度被增加到了170 m/s,加速效果明顯。

2）相比于在噴霧場的前半段，液體經(jīng)充分霧化后在噴霧場的后半段分布更為分散。