可調(diào)節(jié)雙介質(zhì)外混式噴嘴霧化特性的數(shù)值模擬

付文鋒，許 龍，吳啟東，楊小娜，肖 華，吳正人

(1. 華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003；2. 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北 保定 071000)

噴嘴霧化是廣泛應(yīng)用于電力、化工、食品加工等工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵工藝處理過(guò)程，主要采用引射空氣或蒸汽對(duì)含有特定工質(zhì)的液體進(jìn)行噴射，液體在高速空氣或蒸汽作用下霧化成細(xì)小液滴。噴嘴霧化的特性在一定程度上決定了后續(xù)加工工藝的品質(zhì)；但在現(xiàn)有的研究中針對(duì)噴嘴邊界條件對(duì)霧化特性的影響分析并不充分，對(duì)于霧化后液滴形態(tài)，包括分布規(guī)律與粒徑等特性的分析尚不透徹，阻礙了噴嘴霧化效果以及相應(yīng)加工工藝的進(jìn)一步提升，因此有必要針對(duì)噴嘴霧化空氣動(dòng)力特性與影響因素進(jìn)行研究[1-2]。

對(duì)于噴嘴霧化的相關(guān)研究，當(dāng)前的主要研究方法集中于實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬。針對(duì)不同介質(zhì)的噴嘴，張大波等[3]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的手段研究了水蒸氣與壓縮空氣2種介質(zhì)下，噴嘴霧化對(duì)液滴粒徑、均勻性等多重因素的影響。山澤銀[4]基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與高速相機(jī)，開(kāi)展了粒徑與霧化噴射范圍的研究，結(jié)果表明空氣噴射角度在一定范圍內(nèi)與入流壓力相關(guān)，但其極值受到噴嘴出口結(jié)構(gòu)的限制。王宇等[5]采用雙流體噴霧實(shí)驗(yàn)與激光噴霧測(cè)量系統(tǒng)，研究了不同介質(zhì)類(lèi)型、物性以及液路溫度對(duì)霧化粒徑的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)液體黏性對(duì)霧化粒徑的影響較為顯著。王萍萍等[6]針對(duì)外混式噴嘴實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合馬爾文激光粒度儀與高速攝影機(jī)，對(duì)不同進(jìn)氣壓力下噴嘴錐角、液滴粒徑和流量進(jìn)行研究。

噴嘴霧化涉及復(fù)雜的多重物理機(jī)制，常規(guī)的多相流模擬不能很好地實(shí)現(xiàn)噴嘴一次霧化與二次霧化的準(zhǔn)確模擬，因此諸多學(xué)者采用不同模擬方法對(duì)噴嘴霧化機(jī)制以及霧化后液滴特性進(jìn)行了數(shù)值研究[7-9]。楊歡[10]采用分步數(shù)值研究的方法，分別針對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)的單相流動(dòng)以及霧化后的多相離散態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析，并驗(yàn)證了氣液相對(duì)速度與氣相壓力的關(guān)系。李俏等[11]采用Fluent軟件開(kāi)展了針對(duì)雙介質(zhì)噴嘴流場(chǎng)模擬分析，并對(duì)噴嘴幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

綜上所述，當(dāng)前針對(duì)噴嘴霧化的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值研究較為廣泛，但對(duì)于霧化關(guān)鍵指標(biāo)粒徑的影響規(guī)律尚不清晰，針對(duì)粒徑特性的評(píng)價(jià)體系尚不完善。本文中針對(duì)雙介質(zhì)噴嘴開(kāi)展液滴霧化的數(shù)值模擬。通過(guò)對(duì)噴嘴的霧化特征進(jìn)行定量分析，得到不同蒸汽入口壓力、氣-液相對(duì)速度下霧化液滴的空間分布規(guī)律以及粒徑變化規(guī)律等，以期為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其工作參數(shù)選擇提供依據(jù)，并為不同工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)加工工藝提升提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

本文中采用雙介質(zhì)噴嘴，由芯軸、螺母、螺管、料腔、空心螺釘、氣腔、連接體組成，如圖1(a)所示。進(jìn)入噴嘴的液態(tài)工質(zhì)為經(jīng)過(guò)加熱后的液體，在進(jìn)氣接頭進(jìn)入噴嘴的工質(zhì)為高溫高壓蒸汽，用于對(duì)液體進(jìn)行輔助引流，2個(gè)進(jìn)口接口結(jié)構(gòu)分解圖如圖1(b)所示。

(a)雙介質(zhì)噴嘴結(jié)構(gòu)

在液體進(jìn)入噴嘴后，為了保證噴射效果，通常需要引導(dǎo)液體產(chǎn)生周向旋流。圖2(a)所示為液體流道調(diào)節(jié)針閥，該部件位于噴嘴中心管內(nèi)，用于調(diào)節(jié)中心管內(nèi)液體噴射量、噴射面等特性。液體流道調(diào)節(jié)針閥主要包括2個(gè)部分，分別為針閥A及安裝位置固定件B。針閥A中旋流裝置，可使液體在噴出前產(chǎn)生明顯的旋流，有利于增強(qiáng)噴嘴霧化效果，其旋流方向與蒸汽側(cè)旋流方向相反；固定件B用于調(diào)節(jié)并固定針閥A在中心管出口處的位置，如圖2(b)所示，實(shí)現(xiàn)液體通流面積的調(diào)節(jié)。螺紋實(shí)際可調(diào)節(jié)范圍約為16 mm，可以改變液體出口與蒸汽出口相對(duì)速度。

1.2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文中采用的數(shù)值計(jì)算軟件為ANSYS Fluent 2020R2，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)多條件、全工況的噴嘴霧化分析計(jì)算，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)工況不全面的不足。在分析過(guò)程中只保留噴嘴內(nèi)流動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)，將螺紋等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)去除，以簡(jiǎn)化模型。滾筒直徑為1.2 m，軸向長(zhǎng)度為2 m。在進(jìn)行流體域網(wǎng)格與實(shí)體域網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)噴嘴幾何模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用四面體網(wǎng)格對(duì)噴嘴與滾筒進(jìn)行劃分，在局部尺寸較小的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時(shí)兼顧計(jì)算效率，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表1。以噴嘴出口蒸汽速度為衡量參數(shù)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，蒸汽速度變化的相對(duì)誤差由0.82%逐漸減小到0.05%。當(dāng)網(wǎng)格個(gè)數(shù)由7.34×106增加為1011時(shí)，蒸汽速度變化的相對(duì)誤差很小，此時(shí)網(wǎng)格數(shù)量變化對(duì)計(jì)算精度的影響可以忽略。為了兼顧計(jì)算效率，最終選取的整體網(wǎng)格數(shù)為7.34×106，網(wǎng)格平均扭曲度為0.15。噴嘴與滾筒腔體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

A—針閥；B—固定件。(a) 液體流道調(diào)節(jié)針閥

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

(a)噴嘴網(wǎng)格

1.3 數(shù)值計(jì)算

根據(jù)噴嘴霧化的機(jī)理，液體霧化的過(guò)程主要分為3個(gè)階段：第一階段，液體與蒸汽分別由入口進(jìn)入噴嘴結(jié)構(gòu)，并引流至噴嘴入口；第二階段，經(jīng)過(guò)噴射后液體經(jīng)歷一次霧化，此時(shí)液體在噴嘴出口處形成面積較大的液膜，并進(jìn)一步碎裂為大直徑的液滴；第三階段，一次霧化的液滴在氣流作用下繼續(xù)變形、破裂，液滴直徑進(jìn)一步縮小，即為二次霧化過(guò)程。在本文中的噴嘴霧化過(guò)程，數(shù)值計(jì)算過(guò)程分別經(jīng)歷第1階段的噴嘴內(nèi)流動(dòng)數(shù)值，以及第二、三階段的一次霧化與二次霧化過(guò)程離散態(tài)模擬。

數(shù)值計(jì)算設(shè)置液體質(zhì)量流量為0.037 5 kg/s。湍流模型采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型。對(duì)于非離散態(tài)數(shù)值計(jì)算的邊界條件，分別在液體入口與蒸汽入口采用流量入口與壓力入口邊界條件，在滾筒出口采用靜壓出口邊界條件。在收斂性方面，初始計(jì)算時(shí)采用質(zhì)量流量進(jìn)口，靜壓出口以加速收斂，當(dāng)進(jìn)口壓力接近對(duì)應(yīng)工況的表壓時(shí)，再采用壓力進(jìn)口進(jìn)行迭代。為了提高連續(xù)性方程的收斂性，仿真采用默認(rèn)壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)。亞松弛因子設(shè)置為0.3～0.5。

由于需要模擬噴嘴出口液滴的一次霧化與二次霧化，因此需要采用離散態(tài)數(shù)值模型對(duì)霧化過(guò)程進(jìn)行建模與計(jì)算，此時(shí)需要開(kāi)啟離散相模型(DPM)，并設(shè)定粒子時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 1 s，時(shí)間步數(shù)為10。射流源設(shè)置為空氣輔助旋流噴射器，射流粒子數(shù)為60，粒子類(lèi)型設(shè)置為液滴(drople)，并將混合材質(zhì)定義為粒子工質(zhì)。對(duì)于射流源的設(shè)置，需要給定液體質(zhì)量流量為0.037 5 kg/s，射流孔直徑為4 mm，射流角度默認(rèn)選取為45°。由于蒸汽介質(zhì)與液體的相對(duì)速度對(duì)于射流影響較為明顯，因此初次計(jì)算采用氣-液相對(duì)速度為100 m/s。對(duì)于滾筒內(nèi)霧化介質(zhì)的發(fā)展，數(shù)值模擬過(guò)程中未考慮重力影響。以非離散態(tài)的噴嘴與滾筒流場(chǎng)為初場(chǎng)，開(kāi)展離散態(tài)DPM霧化流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，經(jīng)過(guò)至少步數(shù)為5 000的迭代計(jì)算，迭代步數(shù)間隔為10時(shí)噴射粒子，最終可得收斂后的霧化計(jì)算結(jié)果。

由于存在多種介質(zhì)，因此在計(jì)算中需要調(diào)用組分輸運(yùn)模型，并定義工質(zhì)。本文中設(shè)定的工質(zhì)分別為水蒸氣及液體，其中液體的物性采用丙二醇工質(zhì)，不同溫度時(shí)液體密度、動(dòng)力黏度以及表面張力參數(shù)如表2[12]所示。

表2 霧化液體物性參數(shù)[12]

為了探討不同蒸汽入口壓力以及氣-液相對(duì)速度對(duì)噴嘴霧化的影響規(guī)律，進(jìn)行蒸汽入口壓力分別為2、3、4 bar(1 bar=100 kPa)工況時(shí)的數(shù)值計(jì)算，分別標(biāo)記為工況S1、S2、S3。另外，為了獲得噴嘴出口不同的液體與蒸汽相對(duì)速度，分別設(shè)定針閥開(kāi)度即針閥相對(duì)位置為14、10、6 mm，分別對(duì)應(yīng)氣-液相對(duì)速度小、中、大3種工況，分別標(biāo)記為工況O1、O2、O3。具體計(jì)算工況如表3所示。

表3 不同蒸汽入口壓力與針閥開(kāi)度對(duì)應(yīng)的計(jì)算工況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蒸汽入口壓力工況時(shí)噴嘴霧化特性

圖4為蒸汽入口壓力3 bar時(shí)噴嘴與滾筒的離散態(tài)粒子速度分布云圖。由圖可知，噴嘴出口經(jīng)歷一次霧化與二次霧化過(guò)程后，霧化液滴在滾筒內(nèi)的分布面積較大，液滴速度在噴嘴出口軸向距離為1 m后快速衰減。在霧化液滴的空間分布上，霧化液滴粒子整體向Z軸正方向偏移，尤其是低速區(qū)域，在滾筒后半部分產(chǎn)生了明顯的徑向偏移現(xiàn)象。由于液體與蒸汽進(jìn)氣接口沿Z軸呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此噴嘴出口流動(dòng)沿Z軸同樣呈現(xiàn)非對(duì)稱分布。在設(shè)置噴嘴在滾筒入口的徑向位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮噴嘴氣-液相進(jìn)口非對(duì)稱性導(dǎo)致的射流流動(dòng)在Z軸方向的非對(duì)稱分布規(guī)律。

圖4 蒸汽入口壓力為3 bar(1 bar=100 kPa)時(shí)噴嘴與滾筒的離散態(tài)粒子速度分布云圖

針對(duì)液體霧化結(jié)果的評(píng)價(jià)，除了液滴的空間分布特性以外，液滴粒徑是關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖5為不同蒸汽入口壓力工況時(shí)XZ平面霧化液滴粒徑分布云圖。由圖可知，液滴經(jīng)霧化后迅速擴(kuò)散，并且沿Z軸正向產(chǎn)生偏移。工況S1中液滴粒徑在霧化場(chǎng)四周達(dá)到最大值，在霧化場(chǎng)的內(nèi)部則粒徑較小，約為1 μm。在噴嘴出口位置，Z軸負(fù)方向存在大粒徑液滴的局部聚集區(qū)域，可能是因出口旋流在入口非對(duì)稱速度分布的作用而產(chǎn)生的。在工況S2中，隨著蒸汽進(jìn)口壓力的增加，噴嘴液滴在滾筒腔體內(nèi)的發(fā)展擴(kuò)散范圍也有所增加，同時(shí)液滴粒徑分布規(guī)律仍然與工況S1中的保持一致。在S3工況中，噴嘴液滴在滾筒腔體內(nèi)的霧化范圍進(jìn)一步增加，已經(jīng)觸及上筒壁，且噴射距離沿軸向進(jìn)一步增加，已經(jīng)觸及滾筒出口位置。

圖6所示為不同蒸汽入口壓力工況時(shí)霧化液滴粒徑在不同軸向位置的分布云圖。由圖可知，在主流外部區(qū)域的液滴粒徑較流道中部的大，均為2 μm，而在中心軸向位置的液滴較小。隨著沿軸向噴射距離的增加，液滴粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。隨著蒸汽入口壓力的增加，液滴粒徑整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，因此，在煙葉加料等加工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)充分考慮不同入流條件下噴嘴霧化場(chǎng)的噴射范圍以及粒徑變化規(guī)律，從而保證其加工效果。

(a)工況S1

表4所示為不同蒸汽入口壓力工況時(shí)霧化液滴粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果，數(shù)值計(jì)算中噴射霧化液滴總數(shù)為1012數(shù)量級(jí)。當(dāng)蒸汽入口壓力為2 bar時(shí)，液滴最大粒徑為83.16 μm，最小粒徑為0.02 μm，平均粒徑為1.23 μm。當(dāng)蒸汽入口壓力增大至3 bar時(shí)，液滴粒子的最大與最小粒徑?jīng)]有明顯變化，但平均粒徑減小為1.20 μm。隨著入口壓力的進(jìn)一步增大，液滴平均粒徑進(jìn)一步減小為1.18 μm。由此可知，隨著蒸汽入口壓力的增加，噴嘴霧化的效果不斷改善，霧化液滴平均粒徑逐漸減小。

(a)工況S1

表4 不同蒸汽入口壓力工況時(shí)霧化液滴粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 不同針閥開(kāi)度工況時(shí)噴嘴霧化特性

圖7所示為不同針閥開(kāi)度工況時(shí)氣-液相對(duì)速度與噴嘴出口速度分布云圖。由圖可知，隨著氣-液相對(duì)速度逐漸的增大，噴嘴出口噴射角度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由此可知，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的噴嘴霧化效果，應(yīng)當(dāng)盡量使氣-液兩相的相對(duì)速度處于適中的數(shù)值，從而保證噴嘴的噴射角度與霧化效果。

表5所示為不同針閥開(kāi)度工況時(shí)霧化液滴粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表可以看出：在工況O1時(shí)氣-液相對(duì)速度較小，液滴平均粒徑為1.28 μm，最大粒徑為149.76 μm，霧化液滴粒徑整體較大。在工況O3時(shí)氣-液相對(duì)速度較大，液滴最大粒徑顯著減小，平均粒徑為1.10 μm，液滴粒徑整體減小。由此可知，針閥開(kāi)度對(duì)蒸汽與液體的相對(duì)速度及霧化液滴粒徑具有顯著影響，隨著氣-液相對(duì)速度的增大，液滴最大粒徑以及平均粒徑均減小，噴嘴霧化效果顯著提升。

表5 不同針閥開(kāi)度工況時(shí)霧化液滴粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

本文中以某雙介質(zhì)噴嘴為主要研究對(duì)象，采用DPM離散態(tài)數(shù)值計(jì)算分析，研究不同工況下的霧化液滴的空間分布特性以及粒徑分布規(guī)律，揭示不同蒸汽入口壓力、針閥開(kāi)度等參數(shù)對(duì)霧化特性的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)噴嘴液滴的速度在噴嘴出口軸向距離為1 m后快速衰減。在霧化液滴的空間分布上，霧化液滴整體向Z軸正方向偏移，尤其是低速區(qū)域，在滾筒后半部分產(chǎn)生了明顯的徑向偏移現(xiàn)象，原因是液體與蒸汽進(jìn)氣接口沿Z軸呈非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴嘴出口霧化液滴沿Z軸同樣呈現(xiàn)非對(duì)稱分布。

2)隨著液滴沿滾筒軸向的擴(kuò)散，霧化液滴的分散均勻性逐步改善，且在遠(yuǎn)離噴嘴軸心位置時(shí)更顯著。霧化液滴隨著向滾筒出口處移動(dòng)，在滾筒中的分布逐步趨于均勻。

3)噴嘴霧化液滴粒徑平均值約為1 μm。隨著蒸汽入口壓力的增大，噴嘴霧化效果不斷改善，霧化液滴平均粒徑逐步減小。氣-液相對(duì)速度改變同樣對(duì)霧化液滴粒徑具有顯著影響，隨著氣-液相對(duì)速度的增大，液滴最大粒徑以及平均粒徑均減小，噴嘴霧化效果顯著提升。