空氣霧化噴嘴對(duì)膠霧化效果的模擬研究

關(guān)玉明，韓永靜，黃思碩，韓曉耀

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

1 引言

日常生活中人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，電子產(chǎn)品在生產(chǎn)時(shí)需要涂覆防護(hù)膠達(dá)到防潮絕緣的效果，合理的噴涂參數(shù)不僅涂覆的均勻還節(jié)省原材料［1］，所以對(duì)聚氨酯防護(hù)膠的霧化效果進(jìn)行研究，找到膠的霧化規(guī)律使噴涂的效果達(dá)到最好。國(guó)內(nèi)外很多專家對(duì)水的霧化做了多方面的實(shí)驗(yàn)及仿真研究，已取得相當(dāng)精確和可參考的結(jié)果，但對(duì)膠霧化效果的研究還比較少。對(duì)空氣霧化噴嘴的研究由來(lái)已久，文獻(xiàn)［2］認(rèn)為液體與氣體間的空氣動(dòng)力作用，在液體射流表面產(chǎn)生了不穩(wěn)定波，最終導(dǎo)致了液體的霧化；文獻(xiàn)［3］研究了兩通道圓柱射流的霧化過(guò)程，認(rèn)為液體表面張力、氣體速度等是影響霧化質(zhì)量的重要因素，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及霧化情況觀察分析的基礎(chǔ)上得出了SMD的預(yù)測(cè)公式；文獻(xiàn)［4］對(duì)兩種不同混合形式的空氣霧化噴嘴進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了空氣壓力、航空煤油壓力和混合形式對(duì)噴霧角和速度場(chǎng)的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［5］分析了噴嘴的運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響規(guī)律，并得到噴嘴出口下游截面的霧化粒徑呈軸對(duì)稱分布的規(guī)律；文獻(xiàn)［6］對(duì)液體射流在內(nèi)混式空氣助力噴嘴上的霧化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，得到了液體射流的霧化特性，并證明當(dāng)壓縮空氣升高到一定值時(shí)，再繼續(xù)增加氣體壓力時(shí)霧化液滴的SMD值變化不明顯，液體射流的霧化效果不會(huì)明顯改善；文獻(xiàn)［7］驗(yàn)證了使用DPM模型中的空氣輔助霧化噴嘴模型可以較好地模擬噴嘴出口射流的破碎及霧化情況，且霧滴場(chǎng)形狀、霧化粒徑的大小均與實(shí)際霧化過(guò)程中的非常接近。對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行研究獲得霧化區(qū)內(nèi)膠滴的分布情況，統(tǒng)計(jì)分析噴嘴出口下游不同距離截面上的粒徑百分?jǐn)?shù)分布和平均霧化粒徑，總結(jié)膠滴平均霧化粒徑與速度、距離、質(zhì)量流率等參數(shù)之間的關(guān)系，為后續(xù)試驗(yàn)工作提供依據(jù)。

2 建立模型

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 湍流模型

雷諾數(shù)能反映流體的流動(dòng)情況，其越小表示慣性影響越小，液體的粘性作用相對(duì)越大；雷諾數(shù)越大，則反之［8］。表達(dá)式為：

式中：ρ—流體密度；u—流速；L—特征長(zhǎng)度；μ—粘度。

對(duì)于內(nèi)部流動(dòng)，雷諾數(shù)高于2300為湍流，低于2300為層流；外部流動(dòng)沿表面位置分布的雷諾數(shù)＞500000為湍流，沿障礙物的雷諾數(shù)大于20000為湍流［8］。經(jīng)計(jì)算膠霧化時(shí)的狀態(tài)為湍流。

Realizable k-εRealizable k—ε湍流模型對(duì)平面和圓形射流擴(kuò)散速度的模擬更加精確［9］，其中，端流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε方程如下：

其中，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2C2=1.9σk=1.0σk=1.2。

2.1.2 霧化噴嘴模型

Fluent軟件中提供了五種霧化噴嘴模型，分別為：平口霧化噴嘴（plain—orifice atomizer）、壓力旋流霧化噴嘴（pressure—swirl atomizer）、靶式霧化噴嘴（flat—fan atomizer）、空氣輔助霧化噴嘴（air—blast atomizer）、氣泡霧化噴嘴（effervescent atomizer），可從中選擇最合適的霧化噴嘴模型對(duì)實(shí)際的噴霧過(guò)程進(jìn)行模擬?？諝忪F化噴嘴對(duì)高粘度的液體有很好的霧化質(zhì)量［10］，在模擬過(guò)程中選擇空氣輔助霧化噴嘴模型，以空氣為霧化介質(zhì)，對(duì)聚氨酯膠的霧化效果進(jìn)行研究。

2.2 幾何模型和計(jì)算區(qū)域尺寸

為了研究噴嘴對(duì)膠的具體霧化效果，需要得到噴霧場(chǎng)內(nèi)膠滴的分布情況，選噴嘴內(nèi)部混合區(qū)以及出口下游的霧化區(qū)為計(jì)算區(qū)域，簡(jiǎn)化后的三維模型，如圖1所示。噴孔的大小為實(shí)際用的噴嘴尺寸，霧化區(qū)為直徑150mm，長(zhǎng)200mm的圓柱。

圖1 計(jì)算區(qū)域模型Fig.1 Calculation Area Model

2.3 霧化粒徑

液滴粒徑的大小和分布是霧化程度很重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不同粒徑對(duì)應(yīng)的霧化等級(jí)［11］，如表1所示。

表1 液滴粒徑等級(jí)表Tab.1 Droplet Size Scale

3 網(wǎng)格劃分及仿真過(guò)程

3.1 模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是很重要的一步，為了精確地得到噴嘴出口區(qū)域的結(jié)果，將混合區(qū)的網(wǎng)格局部加密，而霧化區(qū)相對(duì)稀疏，劃分好的網(wǎng)格模型，如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.2 Computational Area Meshing

3.2 仿真過(guò)程

先對(duì)連續(xù)的空氣流場(chǎng)進(jìn)行仿真，當(dāng)連續(xù)相計(jì)算收斂之后再加入離散的液體，然后兩相耦合起來(lái)求解噴霧場(chǎng)［12］，噴霧場(chǎng)模擬的具體過(guò)程如下：

（1）打開(kāi)DPM模型選Interaction with Continuous Phase、Unsteady Particle Tracking，創(chuàng)建噴射源選空氣輔助霧化噴嘴模型，具體參數(shù)設(shè)置，如表2所示。

表2 噴射源參數(shù)設(shè)置Tab.2 Injection Source Parameter Settings

（2）定義材料參數(shù)，加入的離散相的相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

表3 膠相關(guān)參數(shù)設(shè)定表Tab.3 Glue Related Parameter Setting Table

（3）入口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，出口設(shè)置為壓力出口數(shù)值為0帕，粒子的出口和壁面都設(shè)置為escape。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 氣相流場(chǎng)的仿真結(jié)果

對(duì)計(jì)算區(qū)域的氣相流場(chǎng)進(jìn)行仿真，壓縮空氣分別以100M/s，125M/s，150M/s三種速度射流進(jìn)入計(jì)算區(qū)域。

4.1.1 氣相流場(chǎng)速度分布圖

從圖3可知：氣流從噴嘴的混合區(qū)進(jìn)入霧化區(qū)后在計(jì)算區(qū)域的軸線附近呈圓柱狀分布，在噴嘴混合區(qū)及出口處速度達(dá)到最高，且混合區(qū)出口附近氣流錐角逐漸增大，沿軸線距出口越遠(yuǎn)速度越低。不同的氣相進(jìn)口速度對(duì)計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有太大影響，只是對(duì)應(yīng)速度的大小稍微改變。

圖3 計(jì)算區(qū)域的速度云圖Fig.3 Speed Map of the Calculation Area

4.1.2 氣相流場(chǎng)壓力分布圖

從圖4可知不同氣相進(jìn)口速度下，計(jì)算區(qū)域受到的壓力值會(huì)有所不同，但在經(jīng)過(guò)混合區(qū)時(shí)壓力都是不斷減小，不同的氣相進(jìn)口速度基本不會(huì)對(duì)計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

圖4 計(jì)算區(qū)域的壓力云圖Fig.4 Pressure Map of the Calculation Area

4.2 氣液兩相流場(chǎng)的仿真結(jié)果

當(dāng)氣相流場(chǎng)計(jì)算收斂后，打開(kāi)DPM對(duì)膠的噴霧場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，觀測(cè)膠不同時(shí)刻的霧化狀態(tài)、霧化區(qū)不同距離截面上的粒徑范圍以及影響膠滴大小的參數(shù)。

4.2.1 膠滴瞬時(shí)霧化狀態(tài)

霧化是一個(gè)隨著時(shí)間不斷變化的過(guò)程，不同時(shí)刻的霧化狀態(tài)不同［13］，通過(guò)監(jiān)測(cè)不同時(shí)間膠滴的霧化狀態(tài)，可獲得膠滴達(dá)到較好霧化狀態(tài)的時(shí)間。為了得到不同參數(shù)對(duì)霧化狀態(tài)的影響規(guī)律，模擬時(shí)空氣進(jìn)口速度都設(shè)置成100M/s，分別改變質(zhì)量流率和粒子流數(shù)量，觀察噴射源開(kāi)始注入液滴后不同時(shí)刻的噴霧情況。

從圖5和圖6可得當(dāng)質(zhì)量流率為0.01kg/s時(shí)，膠滴在0.135s就能達(dá)到較好的霧化狀態(tài)，且沿噴嘴出口軸線方向的膠滴向前擴(kuò)散的快噴的遠(yuǎn)。改變粒子流數(shù)量不影響膠滴達(dá)到較好霧化狀態(tài)的時(shí)間，提高粒子流數(shù)量后霧化形狀更好。

圖5 粒子流數(shù)量為20質(zhì)量流率為0.01kg/s膠滴瞬時(shí)霧化狀態(tài)Fig.5 The Number of Particle Streams is 20 Mass Flow Rate is 0.01kg/s

圖6 粒子流數(shù)量為50質(zhì)量流率為0.01kg/s膠滴瞬時(shí)霧化狀態(tài)Fig.6 The Number of Particle Streams is 50 Mass Flow Rate is 0.01kg/s

從圖7和圖8可知當(dāng)質(zhì)量流率為0.015kg/s時(shí)，膠滴在0.075秒時(shí)就達(dá)到了很好的霧化狀態(tài)，對(duì)比于圖5圖6可知提高質(zhì)量流率可加快膠滴的霧化速度，使膠滴在更短的時(shí)間達(dá)到很好的霧化狀態(tài)，這是因?yàn)樘岣哔|(zhì)量流率相當(dāng)于提高了液滴的速度，使液滴更快的經(jīng)過(guò)噴霧區(qū)，從而在更短的時(shí)間達(dá)到較好的霧化狀態(tài)。

圖7 粒子流數(shù)量為20質(zhì)量流率為0.015kg/s膠滴瞬時(shí)霧化狀態(tài)Fig.7 The Number of Particle Streams is 20 Mass Flow Rate is 0.015kg/s

圖8 粒子流數(shù)量為50質(zhì)量流率為0.015kg/s膠滴瞬時(shí)霧化狀態(tài)Fig.8 The Number of Particle Streams Is 50 Mass Flow Rate is 0.015kg/s

4.2.2 粒徑百分?jǐn)?shù)分布

統(tǒng)計(jì)噴嘴出口下游不同距離截面上的粒徑百分?jǐn)?shù)，更直觀的表達(dá)膠滴在不同截面上的粒徑分布，在空氣進(jìn)口速度為125M/s質(zhì)量流率為0.01kg/s粒子流數(shù)量為20時(shí)進(jìn)行模擬研究。

從圖9可知不同距離截面上的膠滴粒徑都主要聚集在300μm左右，但距噴嘴出口較近的截面上粒徑較大，稍遠(yuǎn)的截面上粒徑較小，而且隨著噴嘴出口軸線距離的增加，膠滴粒徑是先減少后增加的趨勢(shì)，這是因膠滴進(jìn)入霧化區(qū)后與空氣充分接觸進(jìn)行二次霧化粒徑會(huì)減?。?4］，隨著距離越遠(yuǎn)速度也越來(lái)越低，膠滴不再破碎。

圖9 粒徑百分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Distribution of Particle Size

4.2.3 不同因素對(duì)膠滴平均霧化粒徑的影響規(guī)律

（1）質(zhì)量流率和粒子流數(shù)量對(duì)膠滴粒徑的影響規(guī)律。

從圖10可知當(dāng)質(zhì)量流率為0.01kg/s時(shí)比0.015kg/s時(shí)的平均霧化粒徑整體偏小，這是因?yàn)樘岣哔|(zhì)量流率相當(dāng)于加大了進(jìn)入噴霧場(chǎng)的膠滴流量，增大了膠滴的速度即降低了氣液相對(duì)速度使得霧化過(guò)程不是很充分，所以粒徑會(huì)總體偏大。當(dāng)粒子流數(shù)量從20改為50時(shí)進(jìn)入霧化區(qū)的粒子數(shù)量增多，膠滴顆粒密集影響與空氣的二次霧化，所以粒徑會(huì)稍微偏大，但對(duì)膠滴粒徑分布沒(méi)有太大影響。

圖10 霧化區(qū)不同距離截面上的平均霧化粒徑Fig.10 Average Atomized Particle Size at Different Distances in the Atomization Zone

（2）氣相進(jìn)口速度對(duì)膠滴粒徑的影響規(guī)律

從圖10的對(duì)比分析可知當(dāng)質(zhì)量流率為0.01kg/s和粒子流數(shù)量為20的時(shí)候得到的平均霧化粒徑最小，所以在上述工況下改變不同的氣相進(jìn)口速度來(lái)看粒徑的變化規(guī)律。從圖11可得增加氣相進(jìn)口速度有助于膠滴霧化，這是因?yàn)榧哟筮M(jìn)口速度相當(dāng)于增加了氣液相對(duì)速度，使膠滴霧化更充分所以粒徑會(huì)更小，且膠滴都是在距噴口一定遠(yuǎn)時(shí)與空氣充分接觸進(jìn)行二次霧化。

圖11 不同氣相進(jìn)口速度下平均霧化粒徑Fig.11 Average Atomized Particle Size at Different Gas Phase Inlet Velocities

（3）相對(duì)速度對(duì)膠滴粒徑的影響規(guī)律。

其他參數(shù)設(shè)置保持不變，分析不同氣液相對(duì)速度對(duì)膠滴粒徑大小的影響，從圖12中可得增大氣液相對(duì)速度，膠滴粒徑變化明顯，在一定的范圍內(nèi)提高氣液相對(duì)速度對(duì)助于膠滴達(dá)到更好的霧化效果。

圖12 不同相對(duì)速度下的平均霧化粒徑Fig.12 Average Atomized Particle Size at Different Relative Velocities

5 結(jié)論

（1）通過(guò)仿真模擬可得到膠滴在霧化區(qū)的分布情況和膠滴達(dá)到較好霧化狀態(tài)的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)改變質(zhì)量流率可使膠滴在更短的時(shí)間達(dá)到很好的霧化狀態(tài)，當(dāng)氣相進(jìn)口速度為150M/s，質(zhì)量流率為0.01kg/s時(shí)能得到較好的霧化效果，可用于膠的噴涂；（2）通過(guò)對(duì)噴嘴出口下游不同距離截面上粒徑百分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到隨噴射距離的增加，膠滴粒徑是先減少后增加或趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，膠滴進(jìn)入霧化區(qū)后會(huì)與空氣發(fā)生摩擦，粒徑減小且更均勻，但是距噴口一定遠(yuǎn)后粒徑不再變小，所以進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)噴嘴距工件的高度應(yīng)為霧化粒徑最低時(shí)的截面到噴口的距離；（3）從多組仿真結(jié)果對(duì)比分析可知在一定范圍內(nèi)較高的氣相進(jìn)口速度、氣液相對(duì)速度都對(duì)膠的霧化產(chǎn)生有益效果，而加大質(zhì)量流率會(huì)使膠滴粒徑變大，粒子流數(shù)量基本不會(huì)對(duì)膠的霧化粒徑產(chǎn)生影響，改變氣相進(jìn)口速度和質(zhì)量流率都會(huì)改變氣液相對(duì)速度，然后影響膠滴粒徑的分布，所以氣液相對(duì)速度對(duì)膠滴的霧化效果有很大影響。