壓力旋流式霧化噴嘴高壓力霧化流場(chǎng)特性研究

陳錦琛 李風(fēng)雷 肖志瑜

（華南理工大學(xué) 國(guó)家金屬材料近凈成型工程技術(shù)研究中心）

壓力旋流式霧化噴嘴（Pressure-Swirl Atomizer，PSA）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、霧化效果好且成本較低，被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、化工、工業(yè)生產(chǎn)及動(dòng)力設(shè)備等行業(yè)領(lǐng)域［1，2］。 在實(shí)際使用過(guò)程中，液體在壓力作用下通過(guò)螺旋管道或切向管道進(jìn)入噴嘴的旋流室，沿旋流室壁面以一定的切向速度做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，噴嘴中心處則在高速旋流的影響下產(chǎn)生了壓降，從而把外部的空氣卷吸進(jìn)噴嘴內(nèi)部并形成空氣芯，出口處的液體受空氣芯與壁面的擠壓而形成空心的錐形液膜， 并由噴嘴出口高速噴出，高速噴出的液膜在外部空氣擾動(dòng)等因素作用下繼續(xù)發(fā)生破碎形成霧滴，完成液體的霧化［3］。

噴嘴的霧化特性研究中，常用霧化顆粒的粒徑分布、噴射長(zhǎng)度、霧滴速度及霧化錐角等評(píng)定噴嘴的霧化效果［4］。 其中，霧化錐角測(cè)定簡(jiǎn)單，實(shí)際生產(chǎn)中可以據(jù)此快速表征噴嘴霧化效果的好壞，一般來(lái)說(shuō)，隨著霧化錐角的增大，霧滴的分布散射面增大，霧滴與空氣接觸面積增大，霧滴的分布更加集中和均勻，對(duì)于霧化效果的提升具有重要作用。 以噴霧干燥過(guò)程為例，噴射液體的分布散射面增大，從而提高物料在噴射過(guò)程中的分散度，加快物料的干燥速度，減少顆粒之間的粘連，以保證最終成品顆粒的粒徑分布和顆粒球形度。

近年來(lái)， 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD） 的發(fā)展和應(yīng)用為霧化工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利。 針對(duì)壓力旋流噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)特性，王曉琦等采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析［5］。 夏永偉等通過(guò)數(shù)值模擬研究結(jié)合改進(jìn)的霧化半角計(jì)算方法，分析了單進(jìn)口壓力旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)霧化半角的影響［6］。 采用CFD軟件進(jìn)行霧化過(guò)程的仿真分析，可以實(shí)現(xiàn)霧化過(guò)程中內(nèi)部和外部流場(chǎng)參數(shù)的可視化、觀察霧化過(guò)程中流體的發(fā)展情況并對(duì)霧化特性進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)，大幅降低了生產(chǎn)過(guò)程中因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重復(fù)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的成本提升。

目前，在對(duì)壓力旋流噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程中， 研究者采用k-ε模型、k-ω模型、RSM及大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES） 模型等湍流模型進(jìn)行相關(guān)的研究。Baharanchi A A等利用VOF結(jié)合不同湍流模型的方法對(duì)PSA霧化場(chǎng)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)RNG k-ε模型在保證模擬精度的同時(shí)，花費(fèi)的計(jì)算成本也有所降低［7］。Madsen J等通過(guò)LES結(jié)合VOF的方法對(duì)一種壓力旋流式噴嘴進(jìn)行了仿真模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的噴嘴速度分布吻合良好［8］。Vashahi F和Lee J K通過(guò)LES結(jié)合VOF的方法模擬了噴嘴內(nèi)部的空氣芯的形狀，對(duì)空氣芯的形成受流場(chǎng)影響的機(jī)理進(jìn)行了一定的解釋［9］。 趙立新等則通過(guò)RSM模型對(duì)油水分離用水力旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了旋流器的內(nèi)部速度分布規(guī)律［10］。 Zhao W J等通過(guò)RSM與k-ε模型進(jìn)行了1 MPa壓力下氣霧化噴嘴的數(shù)值模擬對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)RSM模型的結(jié)果更接近實(shí)測(cè)值［11］。 綜觀霧化工藝參數(shù)的研究方向，目前的研究大多集中在較低工作壓力（0～2 MPa）下的霧化過(guò)程。 筆者針對(duì)一種應(yīng)用在石化行業(yè)的壓力旋流式霧化噴嘴，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中它所需的工作壓力較高 （2～8 MPa），基于CFD流體仿真軟件Fluent，采取VOF方法結(jié)合RSM湍流模型對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中因壓力的改變而造成流體壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的變化等進(jìn)行了仿真計(jì)算，并根據(jù)仿真計(jì)算得到的一系列參數(shù)對(duì)不同生產(chǎn)壓力下的霧化錐角進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中壓力參數(shù)的選擇提供一定的指導(dǎo)。

1 噴嘴物理模型的建立

1.1 噴嘴幾何結(jié)構(gòu)

筆者所選用的壓力旋流式霧化噴嘴幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。 噴嘴整體由4部分組成，從上往下依次是漿料注入室、橢圓入口管道、旋流室和漿料噴射出口。

圖1 壓力旋流式霧化噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)

噴嘴各部分的主要尺寸如下：

橢圓入口管道大徑d13 mm

橢圓入口管道小徑d22 mm

旋流室入口直徑Ds20 mm

旋流室過(guò)渡圓弧半徑R 20 mm

旋流室高度Ls10 mm

出口直徑do2.8 mm

出口厚度Lo1 mm

其中， 入口管道與入口平面的夾角為50°，目的是使?jié){料獲得一定的切向速度進(jìn)入旋流室做旋繞運(yùn)動(dòng)。

1.2 構(gòu)建物理模型及網(wǎng)格劃分

為了更好地表現(xiàn)并便于對(duì)流體在噴嘴內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，采用三維模型對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析， 仿真軟件為商用CFD軟件Fluent。圖2展示了數(shù)值模擬過(guò)程中所建立的三維流體域模型和模型的網(wǎng)格劃分。 計(jì)算中采用的流體區(qū)域忽略了流體進(jìn)入注入室部分，僅考慮流體從入口管道進(jìn)入旋流室到噴出霧化的過(guò)程。 三維流體域模型包括去除了注入室部分的噴嘴內(nèi)部流體域和噴嘴以下半徑10 mm、高10 mm的圓柱形外部流體域。 采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中對(duì)噴嘴出口處的網(wǎng)格再進(jìn)行一定程度的細(xì)化。 一般認(rèn)為，劃分的網(wǎng)格尺寸越小、數(shù)目越多，計(jì)算的結(jié)果會(huì)越精確，為此分別對(duì)劃分網(wǎng)格數(shù)為15萬(wàn)、30萬(wàn)、45萬(wàn)、60萬(wàn)、90萬(wàn)、120萬(wàn)的模型進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性研究，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)目增加到45萬(wàn)以后，計(jì)算結(jié)果基本穩(wěn)定不變，出于對(duì)計(jì)算時(shí)間、計(jì)算資源成本與計(jì)算精度的綜合考量， 最終確定仿真計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)目為451 575，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.837 34，平均偏斜度為0.228 34。

圖2 流體域的三維幾何模型和網(wǎng)格劃分情況

1.3 邊界條件的設(shè)置

流體域的邊界條件設(shè)置如圖3所示，確定4個(gè)管道入口界面為壓力入口邊界類型，入口壓力設(shè)置為工作壓力，入口第二相成分設(shè)置為1（表示入口處全是第二相部分）； 確定外部環(huán)境邊界為出口，類型為壓力出口邊界，出口壓力設(shè)置為0（表示與操作壓力即外部大氣壓力101 325 Pa相等），并設(shè)置出口第二相回流為0； 其余面設(shè)置為壁面邊界，采用無(wú)滑移壁面條件設(shè)置。

圖3 流體域邊界條件

2 噴嘴數(shù)值模型的建立

2.1 多相流模型

表1 各相材料屬性

在此模擬計(jì)算過(guò)程中， 先給定以下假設(shè)：流體不可壓，氣體與液體之間不發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)；流動(dòng)過(guò)程中忽略重力的影響；流動(dòng)過(guò)程在絕熱環(huán)境中進(jìn)行，不存在能量交換。

在此假設(shè)基礎(chǔ)上，給出本次模擬控制方程的數(shù)學(xué)模型［3］。

連續(xù)性方程：

ρ——密度。

動(dòng)量方程：

綜上所述，通過(guò)對(duì)H公司的某項(xiàng)電網(wǎng)工程進(jìn)行分析，H公司某項(xiàng)電網(wǎng)項(xiàng)目在內(nèi)部控制經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)使用層次分析法、模糊綜合評(píng)判則進(jìn)行判斷，并且取得了較為精準(zhǔn)的結(jié)果。通過(guò)一系列數(shù)值可見(jiàn)，對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，任何看似不重要的風(fēng)險(xiǎn)如果不加以預(yù)防，那么其很容易成為主要的風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)企業(yè)造成不可估量的損失。H公司通過(guò)對(duì)層次分析法、模糊綜合評(píng)判則有效的對(duì)自身的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評(píng)估，一定程度上降低了自身受經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)影響的程度。而我國(guó)眾多國(guó)有企業(yè)更應(yīng)該借鑒H公司的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)內(nèi)部控制對(duì)自身的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相應(yīng)評(píng)估，進(jìn)而確保國(guó)有企業(yè)的發(fā)展。

p——壓強(qiáng)；

t——時(shí)間；

μ——流體動(dòng)力粘性系數(shù)。

體積分?jǐn)?shù)方程：

式（3）中等號(hào)右邊項(xiàng)通常默認(rèn)其值為0，故式（3）可寫(xiě)成：

δj——單元中j相的體積分?jǐn)?shù)。

氣液兩相流中單元物質(zhì)屬性的約束方程：

其中，下標(biāo)g、l、v分別代表空氣相、液相、水蒸氣相。

2.2 湍流模型

計(jì)算采用RSM模型，RSM模型是目前精度最高的湍流模型，與其他雷諾平均方程（RANS）湍流模型相比，RSM通過(guò)加入求解所有雷諾應(yīng)力方程，避免了各向同性的渦黏假設(shè)，能更好地描述復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。

2.3 求解方法

對(duì)求解過(guò)程中壓力速度耦合方式采用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法，壓力項(xiàng)采用PRESTO! 離散格式，動(dòng)量項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式， 體積分?jǐn)?shù)項(xiàng)采用Compressive離散格式，湍動(dòng)能項(xiàng)、湍粘系數(shù)項(xiàng)和雷諾應(yīng)力項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。 為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、提高計(jì)算精度和加快收斂速度，先設(shè)置整個(gè)流體域內(nèi)第二相水的成分為0， 通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法獲得初始穩(wěn)定流場(chǎng)后，以此作為后續(xù)計(jì)算的初始值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。 瞬態(tài)計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.2 ms，每步迭代計(jì)算40次，計(jì)算進(jìn)行到30 ms時(shí)第二相流動(dòng)形態(tài)基本不再發(fā)生變化，認(rèn)為此時(shí)流體發(fā)展完全，終止計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 流場(chǎng)發(fā)展過(guò)程

壓力旋流式霧化器的水流霧化過(guò)程以空氣-水流兩相分布情況表示，如圖4所示。 圖5為8 MPa工作壓力下，噴嘴軸向截面的內(nèi)部壓力分布云圖。 由圖5可以看出，噴嘴內(nèi)部的壓力變化呈現(xiàn)出沿噴嘴中心下降的變化趨勢(shì)。水流經(jīng)壓力泵入獲得沿管道方向的速度，在旋流室中迅速發(fā)展成繞中心線旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于慣性力的作用，水流在不斷往旋流室中心填充的過(guò)程中獲得加速， 同時(shí)水流的高速流動(dòng)使噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生壓降， 甚至出現(xiàn)了負(fù)壓。外部空氣在壓力的作用下產(chǎn)生回流，空氣被向上卷吸， 進(jìn)入到噴嘴內(nèi)部， 形成了空氣芯。 最終到達(dá)噴嘴出口的水流由于慣性和空氣芯的共同作用， 形成以一定角度噴射而出且有一定厚度的錐形液膜， 液膜進(jìn)入外部空氣環(huán)境后受空氣擾動(dòng)等因素的作用而達(dá)到霧化條件后完成霧化。 通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（圖6），仿真結(jié)果下的霧化錐角大小為80°，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的霧化錐角大小為68.5°，結(jié)果誤差值為16.79%。

圖4 水流霧化發(fā)展過(guò)程

圖5 8 MPa下噴嘴軸向截面的壓力分布云圖

圖6 霧化錐角的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了更好地理解水流在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)情況，從內(nèi)部流場(chǎng)的跡線分布（圖7）和水流速度矢量分布（圖8）可以直觀地看出噴嘴內(nèi)部水流的運(yùn)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)。 水流從入口管道剛進(jìn)入旋流室時(shí)，由于流動(dòng)空間突然增大，水流的速度相對(duì)下降；而沿徑向上， 則因慣性力的作用往中心處不斷加速。同時(shí)，因?yàn)榭諝庑镜拇嬖冢竭_(dá)出口的水流通過(guò)面積被空氣芯擠壓而減少，水流在此處得到進(jìn)一步加速。

圖7 內(nèi)部流場(chǎng)的跡線分布

圖8 速度矢量分布云圖

3.2 工作壓力對(duì)流體速度分布的影響

圖9展示了不同工作壓力下， 噴嘴出口處沿徑向的速度分布曲線。 從整體來(lái)看，由于水流在噴嘴內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有軸對(duì)稱性，水流的速度分布也關(guān)于軸線呈對(duì)稱關(guān)系，符合水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 另一方面，在考慮速度分布對(duì)稱性后，可以看到出口處的速度分布從中心往壁面均呈現(xiàn)先下降后急劇上升， 在接近壁面時(shí)再劇烈下降為0的趨勢(shì)，且存在分別位于出口中心處和靠近出口壁面處的兩個(gè)速度峰值。 出口中心的速度表現(xiàn)的是該處存在被往上卷吸的空氣產(chǎn)生的速度，位于中心的速度越高， 說(shuō)明空氣被卷吸的強(qiáng)度越大，靠近壁面處的速度峰值則來(lái)自噴射的水流。 同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨工作壓力的提高，水流的射出速度也提高， 從2～8 MPa時(shí)最高射出速度分別為48.81、61.70、71.19、77.30、84.77、91.95、98.73 m/s； 工作壓力每提升1 MPa， 射出速度分別提高26.41%、15.38%、8.58%、9.66%、8.47%、7.37%，可見(jiàn)速度的提高幅度在工作壓力達(dá)到4 MPa后開(kāi)始趨緩。

圖9 不同工作壓力下噴嘴出口處沿徑向的速度分布曲線

將水流空間速度分解成切向速度、軸向速度和徑向速度3個(gè)分量， 以便于理解速度因素在水流噴射時(shí)所起的作用。 如圖10所示，可以看出水流在噴嘴出口往外噴射時(shí)， 隨工作壓力的增大，切向速度和軸向速度都有明顯的提升，對(duì)徑向速度的提升作用不大，說(shuō)明水流射出運(yùn)動(dòng)由切向速度與軸向速度所主導(dǎo)，徑向速度的影響較小。

圖10 各工作壓力下出口處速度分量及第二相（水）分布曲線

3.3 工作壓力對(duì)霧化錐角的影響

針對(duì)所得仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩相分布截面進(jìn)行直接測(cè)量獲得霧化錐角的大小。 另外，根據(jù)文獻(xiàn)［6］的研究，利用水流在出口處的噴射速度分量，還可以對(duì)出口霧化錐角進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)計(jì)算：

式中 va——軸向速度；

vr——徑向速度；

vt——切向速度；

αi——i單元處水流噴射角度。

根據(jù)以上方法得到關(guān)于不同工作壓力下的霧化錐角變化曲線，如圖11所示。 對(duì)于仿真計(jì)算結(jié)果，兩種方法獲取的霧化錐角大小變化曲線比較接近。 隨著工作壓力的變化，噴嘴霧化錐角的大小在80°左右波動(dòng)，說(shuō)明工作壓力對(duì)霧化錐角大小的影響較小，其中在4 MPa和6 MPa時(shí)得到最大測(cè)量值分別為79°和80°。 這是由于影響霧化錐角的切向速度與軸向速度在工作壓力的提高下同時(shí)得到提升， 各速度分量的比重基本保持不變，宏觀表現(xiàn)為霧化錐角的大小趨于穩(wěn)定，這與文獻(xiàn)［13，14］的研究結(jié)果相一致。 其中通過(guò)計(jì)算所得的結(jié)果始終比直接測(cè)量所得的霧化錐角要大，結(jié)果最大相差7°。 這是因?yàn)橛?jì)算過(guò)程中所采用的各單元速度為噴嘴出口平面各處的速度，而一旦噴射水流離開(kāi)噴嘴， 必然還會(huì)受到外部環(huán)境影響（如空氣摩擦）而出現(xiàn)速度損失，故測(cè)量得到的霧化錐角必定會(huì)小于計(jì)算所得結(jié)果。

圖11 工作壓力變化對(duì)霧化錐角的影響

4 結(jié)論

4.1 基于VOF方法結(jié)合RSM，采用Fluent軟件，研究了液體在高壓力條件下通過(guò)壓力旋流式霧化噴嘴的流場(chǎng)和霧化特性，得到的霧化錐角略高于實(shí)驗(yàn)值，但誤差在20%以內(nèi)，其原因在于未考慮出口區(qū)域外部環(huán)境（如空氣摩擦）的速度損失，隨著工作壓力的不斷提高，霧化錐角基本保持穩(wěn)定。

4.2 隨著工作壓力的增大，出口處水流的射出速度也隨之提高， 在2～4 MPa下水流射出速度提升幅度較大， 在4 MPa以后繼續(xù)提高工作壓力水流速度的提升速度開(kāi)始趨緩。 對(duì)水流射出速度進(jìn)行了切向、徑向和軸向的分解，結(jié)果顯示水流射出運(yùn)動(dòng)主要由切向速度和軸向速度主導(dǎo)。

4.3 工作壓力的增加可以加強(qiáng)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的旋流強(qiáng)度，但對(duì)霧化錐角的影響不大。 實(shí)際生產(chǎn)中， 增大工作壓力會(huì)帶來(lái)額外的能耗和生產(chǎn)成本，故在保證滿足霧化生產(chǎn)條件的情況下，沒(méi)有必要繼續(xù)提高工作壓力，即霧化工作壓力在4～6 MPa為優(yōu)。