基于FLUENT的氣液兩相流噴嘴霧化性能研究

李淑江，李程前，沈敏敏

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

現(xiàn)今氣液兩相流霧化器在加濕、降溫、除塵和消毒等諸多方面應(yīng)用廣泛[1-5]。噴嘴作為氣液兩相流霧化器的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)會直接影響霧化的程度和效果[6]，因此對霧化噴嘴的研究越來越受到重視。

目前，已有不少學(xué)者對噴霧原理以及噴嘴霧化性能影響因素的研究取得了明顯成果。Edgar等[7]通過研究氣液兩相流霧化噴嘴液膜的碎裂過程，分析出渦流環(huán)狀霧化液膜在不穩(wěn)定狀態(tài)下的離散方程，為氣液兩相流霧化原理的研究提供了數(shù)學(xué)計(jì)算公式。Satapathy等[8]設(shè)計(jì)出2種噴嘴模型，通過觀察2種噴嘴作用下的霧滴粒徑，從而得到可以提高霧化效果的最佳氣液比。劉海峰等[9]以二次霧化液膜碎裂原理為基礎(chǔ)，對氣液霧化噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)，探究霧滴平均直徑(satuter mean diameter，SMD)與液體流速、氣體流速和氣液流量比間的關(guān)系。近年隨著流體數(shù)值仿真技術(shù)不斷發(fā)展，通過流體仿真軟件對噴霧過程進(jìn)行模擬仿真的性價(jià)比越來越高，而且數(shù)據(jù)監(jiān)測，采集、處理方便，效果明顯[10-15]。

課題組對噴嘴霧化過程采用FLUENT仿真模擬并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證，以不同角度的噴嘴氣相出口通道為研究對象，研究氣液比、氣壓的變化對噴嘴霧化性能的影響，為探索優(yōu)化噴嘴性能尋求數(shù)據(jù)支撐。

1 霧化器工作原理及噴嘴結(jié)構(gòu)

霧化器采用氣液兩相流外混合霧化方式，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間通道為液相通道，液體經(jīng)過濾后從細(xì)小的液相通道噴出，在噴嘴出口變成無數(shù)碎裂的液膜，實(shí)現(xiàn)液滴的初次霧化；氣相通道成對存在，位于液相通道兩旁，氣相通道出口斜度為α，壓縮氣體經(jīng)對稱的氣相通道噴出，對初次碎裂的液膜進(jìn)行二次沖擊、破碎，在噴嘴外使液膜霧化形成更加細(xì)小的霧滴，完成二次霧化。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of nozzle

2 噴嘴的仿真模擬

2.1 噴嘴幾何模型創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分

簡化噴嘴模型，使用Workbench對噴嘴的氣、液相通道以及霧化流場域進(jìn)行建模，其尺寸大小與實(shí)物按照1∶1的比例。網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系噴霧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用Workbench對噴嘴幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量差的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，改善網(wǎng)格質(zhì)量。霧化噴嘴及流場域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 霧化噴嘴及其流場模型網(wǎng)格Figure 2 Model grid of atomizing nozzle and its flow field

2.2 控制方程的選擇

計(jì)算采用VOF混合多相流模型，流場的控制方程為連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。噴霧流場屬于射流撞擊湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型[16],湍流動(dòng)能κ和耗散率ε的方程分別為：

式中：ρ為流體密度;t為時(shí)間;Gκ為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能;YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總的耗散能的影響;μ為湍動(dòng)黏度;μt為湍流黏性系數(shù);σκ,σε為湍動(dòng)能與耗散能的湍流普朗特?cái)?shù);C1ε,C2ε,C3ε為常數(shù)。

2.3 結(jié)果分析

此次霧化噴嘴的模擬仿真中，課題組設(shè)定液相通道的直徑為1.5 mm,液相入口壓力為0.5 MPa，氣體通道直徑1.0 mm，其他變量參數(shù)如表1所示。課題組通過模擬噴嘴在空間流場內(nèi)的霧化效果，對噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 噴嘴仿真模型數(shù)值參數(shù)Table 1 Numerical parameters of nozzle simulation model

2.3.1 氣相通道斜度影響下噴嘴速度云圖

氣相通道出口斜坡設(shè)置為30°，45°，60°，氣相壓力為0.1 MPa的條件下霧化速度仿真結(jié)果如圖3所示。通過速度云圖發(fā)現(xiàn)：氣體噴出噴嘴后，在噴嘴出口處形成速度渦流，隨著斜度的變大，氣體從噴嘴噴出形成的渦流也在變化，渦流離氣相通道出口越來越近；氣相通道出口斜度為45°時(shí)，氣體對液體作用的徑向分速度的要比30°時(shí)大，這表明隨著出口斜度的增大，有更多更快速的氣體參與到液膜二次碎裂中，這大大提升了霧化效果；但當(dāng)氣相通道出口斜度為60°時(shí)，噴嘴出口處的速度反而明顯變小，這是因?yàn)槌隹谛倍茸兇螅瑲怏w在氣相通道拐彎處受到的阻力會變大，影響氣體噴出的速度。

圖3 氣相通道斜度影響下的霧化速度云圖Figure 3 Atomization velocity nephograms under influence of air outlet slope

2.3.2 氣相壓力影響下的噴嘴速度云圖

氣相壓力分別為0.2，0.3，0.4和0.5 MPa時(shí)，噴嘴模型流場速度仿真結(jié)果如圖4所示。氣體輸入壓力為0.2 MPa時(shí)，在噴嘴處形成速度渦流，速度沿霧化中心軸線逐漸減弱；隨著氣壓的逐漸增大，當(dāng)氣體輸入壓力為0.5 MPa時(shí)，噴嘴出口處的渦流范圍變得更大，距離噴嘴相同位置處的氣體相對速度也明顯變大。

圖4 氣相壓力影響下霧化速度云圖Figure 4 Atomization velocity nephograms under influence of gas pressures

2.3.3 氣液比影響下的霧化速度云圖

氣液比分別為0.7,0.9,1.1和1.3時(shí)，噴嘴模型流場仿真速度云圖如圖5所示。由圖5可知，氣液比為0.7時(shí)，噴嘴出口處產(chǎn)生的氣液速度渦流范圍小，對液相通道噴出的液滴初次霧化能力弱，氣相通道噴出的氣體對初次霧化的液滴破碎作用也比較差；隨著氣液比的增加到1.3時(shí)，在噴嘴出口處產(chǎn)生的渦流區(qū)域變大，說明噴嘴出口處噴霧流場的速度明顯變大，初次霧化、二次霧化作用下對液膜破碎能力增強(qiáng)，霧滴彌散霧化效果明顯。

圖5 氣液比影響下霧化速度云圖Figure 5 Atomization velocity nephograms under influence of gas-liquid ratio

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置及方法

霧化試驗(yàn)裝置如圖6所示，空氣壓縮機(jī)提供0.1～0.8 MPa的氣相壓力，水泵可提供0.5 MPa的液壓，氣體和液體流量計(jì)、氣壓表和液壓表等用來調(diào)節(jié)輸入霧化器氣體的壓力大小、氣液比等參數(shù)，利用相位多普勒粒子分析技術(shù)[17]檢測霧化后液滴粒徑來檢測噴嘴霧化性能。

圖6 霧化試驗(yàn)裝置Figure 6 Atomization test device

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 不同氣相通道出口斜度下液滴粒徑分布

圖7所示為噴嘴氣相通道出口斜度α分別為30°，45°，60°時(shí)在垂直于霧化中心軸線的截面上多個(gè)對稱位置處的霧滴粒徑分布。

圖7 噴嘴徑向距中心軸線不同距離處霧化粒徑分布Figure 7 Atomized particle size distribution at different distances from nozzle radial to central axis

如圖7所示，霧滴粒徑大體以噴嘴霧化中心軸線為中心對稱分布，在軸線處粒徑最小，軸線兩側(cè)粒徑逐漸變大；隨著氣相通道出口斜度增大，霧滴整體粒徑數(shù)值也在變小，但仍遵循對稱分布的規(guī)律。通過分析可知，對稱分布的氣相通道噴出的壓縮氣體隨著距中心軸線距離的增加，對初次霧化形成的較大液滴二次霧化沖擊破碎力由強(qiáng)逐漸變?nèi)酰矣捎陟F化中心軸線處速度較大，液滴間的碰撞融合運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，出現(xiàn)中心軸線粒徑小，周邊粒徑大的現(xiàn)象。

3.2.2 不同氣相壓力下霧滴粒徑分布

圖8所示為不同氣壓下噴嘴霧滴粒徑分布情況。由圖8可知，隨著氣相壓力的逐漸變大，在30°，45°，60°的3種不同氣相通道出口斜度的噴嘴所噴出的霧滴粒徑變化規(guī)律相似，即隨著氣相壓力的變大，在距噴嘴相同位置處的霧滴粒徑慢慢變小。通過分析可知，隨著氣相壓力的增大，氣體噴出噴嘴時(shí)的相對速度也逐漸變大，對初次霧化形成的霧化膜以及霧化液滴產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊力，使二次霧化效果更好。

圖8 不同氣相壓力下噴嘴霧滴粒徑變化Figure 8 Variations of particle size of nozzle droplet under different gas pressures

3.2.3 不同氣液比下霧滴粒徑分布

圖9所示為不同氣液比影響下噴嘴液滴粒徑變化情況，3種不同氣相通道斜度的噴嘴所形成液滴粒徑隨著氣液比的增大而減小。分析可知，當(dāng)氣液比較小時(shí)，通過噴嘴氣相通道的氣體量較少，液體完成初次霧化后形成的液滴粒徑相對較大，氣相通道噴出的氣體組分少，氣體對初次霧化液滴的撞擊破碎效果差。隨著氣液比變大，氣體與初次霧化產(chǎn)生的液膜接觸面積變大，沖擊破碎能力變強(qiáng)，使液膜破裂產(chǎn)生更加細(xì)小的霧滴，粒徑更小，分布彌散程度更大。

圖9 不同氣液比下噴嘴液滴粒徑變化Figure 9 Variations of particle size of nozzle droplet under different gas-liquid ratios

4 結(jié)語

課題組以3種不同氣相通道斜度的氣液霧化噴嘴為基礎(chǔ)，通過仿真及實(shí)驗(yàn)探究氣相壓力、氣液比和氣相通道出口斜度對霧化噴嘴性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)氣體通道出口斜度變大時(shí)，自噴嘴噴出的氣體對液滴的沖擊角度變大，氣體與液滴的接觸面積增大，能夠增強(qiáng)噴嘴的霧化效果；但是，當(dāng)氣相通道出口斜度過大時(shí)，氣體通道彎曲增大，氣體沖擊力變大，使氣相通道受到的摩擦力變大，磨損加劇，影響霧化性能；噴嘴霧化效果還受氣相壓力、氣液比的影響，隨著氣相壓力和氣液比的增大，噴嘴氣相通道噴出的氣體對液相通道噴出的液滴撞擊破碎能力增強(qiáng)，使初次霧化后的粒徑有進(jìn)一步變小的趨勢，噴嘴的霧化性能更好。課題組的研究為氣液兩相噴嘴的改進(jìn)提供了借鑒，有利于優(yōu)選霧化參數(shù)、提升噴霧效果。