基于Fluent外混式氣動霧化噴嘴改進與仿真研究*

王保剛,李程前,張建峰,王 帥,李淑江,鑒冉冉

(青島科技大學 機電學院,山東 青島 266000)

0 引 言

目前,霧化噴嘴已經在人們的日常生活中得到了廣泛應用[1-3]。例如,在電梯轎廂的消毒防疫以及礦井粉塵的治理等過程中,都有霧化噴嘴的應用。

霧化噴嘴的主要功能是將液相工質霧化成微小的霧滴,然后向外界環(huán)境擴散。由于液滴霧化后得到的霧滴粒徑通常都是微米級,增加了液滴的表面積,提高了與周圍環(huán)境的傳熱傳質效率。

氣動霧化噴嘴是一種新型霧化噴嘴,其主要特點是利用氣液兩相流的相互碰撞與摩擦,來實現液體霧化[4]目的。相較于傳統(tǒng)的壓力霧化噴嘴,氣動霧化噴嘴具有霧化效果更好、工作壓力調節(jié)范圍更大、堵塞可能性更小、噴嘴結構更簡單、對液體壓力要求更低等優(yōu)點[5]。

在相同的工作參數設定下,噴嘴內部結構的尺寸是影響霧化性能的主要因素。因此,近幾年來,國內外研究人員越來越重視采用數值模擬的方法,以此來進行噴嘴內部結構的研究。

吳恩啟等人[6]基于維多辛斯曲線理論,對噴嘴的出口結構尺寸進行了結構優(yōu)化,開發(fā)出了一種新型的漸縮式氣動霧化噴嘴,并且采用標準模型模擬了噴嘴霧化過程,結果發(fā)現,該結構優(yōu)化方案能夠有效降低噴嘴內部氣體壓力的損失,使氣流與液體之間相對速度增大,霧化更充分。丁江民等人[7]研究發(fā)現,在噴射高黏度液體時,采用現有的氣動霧化噴嘴效率較低,因此,采用最大流量法將原噴嘴的內部流道改為螺旋槽流道,并對噴嘴內部流場進行了兩相流仿真模擬,結果發(fā)現,改進后的噴嘴液相因流動面積減少而致使流動速度增加,從而改善了噴嘴霧化噴涂性能。周香林等人[8]開發(fā)了一種超聲速氣動霧化噴嘴,通過高速攝像機對其霧化流場進行了觀察和分析,結果發(fā)現,其液滴霧化破碎的過程遵循二次霧化破碎原理,霧化流場速度、壓力分布規(guī)律與采用Fluent軟件所模擬的結果基本相同,并且在不同參數下的試驗結果也與計算機仿真的結果基本吻合,證明了該方法的可靠性。DE L M等人[9]采用歐拉方法,研究了空心錐形噴嘴發(fā)出的液片霧化過程,描述了噴嘴內的流動和噴嘴外的噴霧液滴特征。SALVADOR F J等人[10]采用先進的內外流耦合模擬技術,研究了柴油機橢圓噴嘴的偏心率對噴霧角度和穿透力的影響。AYDIN O等人[11]采用數值模擬方法,研究了不同的氣相壓力和噴嘴幾何形狀對氣動霧化噴嘴出口處氣流速度的影響,結果發(fā)現,氣相速度與氣相壓力不成正比,當氣相壓力為1.0 MPa時,得到了最小氣相速度為631 m/s,而在氣相壓力為2.7 MPa時,達到了最大氣相速度為663 m/s;通過改進噴嘴幾何尺寸,可以在相同的氣體質量流量比下獲得最大氣相速度,進而改善霧化質量。

目前,大多數的模擬研究都是以氣動霧化噴嘴自身結構為出發(fā)點,對其進行設計與改進,但從氣動霧化裝置(簡稱霧化器)的整體性出發(fā),對噴嘴進行結構改進,并探究其霧化性能的研究卻鮮見報道。

霧化噴嘴是霧化器核心部件之一,而壓縮空氣和水都是由霧化器的內部流道流向氣動霧化噴嘴,因此,氣體和液體在噴嘴內的流動狀態(tài)會受到霧化器整體結構的限制。

此外,通過應用激光光學測量系統(tǒng),筆者確定了影響氣動霧化噴嘴液體破碎過程的關鍵參數,發(fā)現對液滴尺寸大小影響最明顯的是霧化噴嘴內的平均空氣速度。平均空氣速度的增加會導致空氣動力的增加,從而減小液滴粒徑的大小[12]。所以,為了有效降低噴嘴氣體能量的損耗,需要對該裝置整體結構進行霧化速度和壓力流場仿真分析,通過改進局部設計來減少非必要的能量損失,以此來提高氣體能量利用率,提升噴嘴霧化性能。

筆者對原噴嘴進行霧化特性實驗測試[13-15],以驗證上述仿真分析模型的有效性;在此基礎上,筆者對外混式氣動霧化器進行仿真研究,分析該裝置存在的問題;進而對原噴嘴進行結構改進,并將其與改進前的噴嘴進行對比。

1 霧化器結構及工作原理

霧化器主要由壺體、氣相通道、液相通道、氣動霧化噴嘴等組成。

氣動霧化噴嘴可以分為3種類型:(1)外混式;(2)內混式;(3)復合式。

筆者研究的噴嘴結構形式為外混式氣動霧化噴嘴,壓縮空氣和液體會在噴嘴外部混合,并進行霧化。噴嘴內部的主要結構為噴嘴帽、噴嘴主體、兩個對稱分布的氣相通道以及單個液相通道。

霧化器簡化三維模型及外混式氣動霧化噴嘴液滴射流破碎過程圖,如圖1所示。

圖1 霧化器三維模型及氣動霧化噴嘴液滴射流破碎過程圖1—噴嘴帽;2—噴嘴主體;3—氣相入口a;4—液相進口;5—氣相入口b;6—氣相出口b;7—液相出口;8—氣相出口a

外混式氣動霧化噴嘴的霧化原理是:

高速氣流通過氣相通道從噴嘴出氣口(氣相出口斜度為α)射出,在氣動霧化噴嘴液相出口處,因氣流的擾動和擴散作用,產生了一個負壓區(qū)；后方低速液體射流從出水口噴出,由于Kelvin-Helmholtz的不穩(wěn)定性,液體射流會發(fā)生一次破碎,形成大顆粒液滴;在負壓區(qū)的作用下,大顆粒液滴被高速氣流吸入并進行混合,在高速氣流中加速,被氣流沖擊剪切,進而完成二次破碎[16],形成大量細小液滴。

2 霧化器數值模擬

2.1 原霧化器數值模擬

2.1.1 網格劃分

霧化裝置內部流場三維網格圖及3種網格方案數量-質量圖,如圖2所示。

圖2 霧化裝置內部流場三維網格圖及3種網格方案數量-質量圖

筆者采用Creo8.0 3D建模軟件,參照霧化器實物,按照1 ∶1建立原霧化器氣相通道流體域三維模型,并將其導入Workbench中的ICEM模塊,以進行手動網格劃分。

由于霧化器模型結構較為復雜,故筆者采取非結構化網格對其內部進行網格劃分。

為了驗證網格的無關性,筆者對仿真模型進行了3種不同數量的網格劃分計算,結果表明:

當網格數目超過644 310個時,霧化器出口處速度和壓力的誤差均不超過7%,表明其內部流體域對網格數量的依賴性較小[17]。3種網格劃分方案的最低網格質量分別為0.29、0.34、0.33,均滿足該仿真模型需求。

因此,為了加快仿真計算收斂速度和穩(wěn)定性,筆者選擇霧化器內部流體域網格節(jié)點數141 236、單元數644 310的網格劃分方案。

2.1.2 計算模型設置

筆者利用ANSYSFluent19.0流體仿真軟件對模型進行仿真分析(霧化介質為空氣),并對整個氣相通道進行仿真模擬。

該模擬采用連續(xù)相湍流可壓縮模型,數值計算的控制方程[18]如下:

其中,連續(xù)性方程為:

(1)

式中：ρ—流體介質的密度；u，v，w—x、y、z方向的速度分量。

動量方程為：

(2)

式中：Su，Sv，Sw—廣義源項。

能量方程為：

(3)

式中：E—流體的總能量；keff—有效導熱系數；T—溫度，℃；hj′—組分j′的比焓；Jj′—組分j′的擴散流量。

流體的總能量為：

(4)

式中：h—比焓。

有效導熱系數為：

keff=k+kt

(5)

式中：k—分子運動產生的導熱系數；kt—湍流導熱系數。

湍流模型選擇k-ε方程：

(6)

式中：ρ—流體密度；k—湍動能；ε—耗散率；μ—流體的動力黏度；Gk—由平均速度梯度產生的湍動能；Gb—由浮力產生的湍動能；YM—可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；xi—坐標方向；μi—時均速度；μt—湍流黏度；σk，σε—k和ε對應的普朗特數；Sk，Sε—用戶自定義源項；C1z，C2z，C3z—經驗常數(一般而言C1z=1.44，C2z=1.92，C3z=0.09，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數[19,20]分別為σk=1.0，σε=1.3)。

邊界條件設定如下:

工作溫度設置為298.15 K,求解器選擇密度求解器,連續(xù)相氣流入口邊界選擇壓力型入口,數值設定為0.3 MPa;出口邊界選擇壓力型出口,數值設定為0 MPa,空氣設置為可壓縮的湍流,幾何模型里的壁面設置為無滑移壁面,模型中不必考慮熱能耗散。

2.1.3 仿真結果及分析

當霧化器氣相通道輸入壓力為0.3 MPa時,筆者通過仿真計算得到了其結構內部氣相通道流體域內的壓力和速度矢量分布圖,如圖3所示。

從圖3可知:由于霧化器氣相通道結構為軸對稱分布,其內部氣相通道的流體域的壓力和速度流場也呈軸對稱分布。因此,筆者對霧化器局部氣相通道流體域流場分布特點進行單獨分析即可。

由圖3(b)可知:當高速氣流由壺體進入氣相通道之后,會從噴嘴射出;氣體壓力在A點和B點兩處呈先增大后減小趨勢,這說明高速氣流在兩處發(fā)生了節(jié)流現象,造成了其局部能量的損失(A點是壺體孔口部位,節(jié)流現象不可避免;B點是壺體與噴嘴的連接處,由于噴嘴進氣口截面積過小,導致噴嘴內部壓力降低,也發(fā)生了節(jié)流現象)。

圖3 氣相通道在P=0.3 MPa下的壓力和速度分布

再由圖3(d)可知:壓縮氣體在B點達到最大速度,說明噴嘴在此處耗氣量突然增加,導致霧化器供氣發(fā)生波動,進而影響霧化效果。

綜上可知,霧化器的氣流能量損失和耗氣量驟增的現象都發(fā)生在壺體與噴嘴的連接處。

2.2 改進后霧化器的數值模擬

2.2.1 改進后的模型與網格劃分

為了減少氣相通道的節(jié)流效果,筆者將噴嘴主體掏空,使兩個對稱分布的圓形氣相通道變成兩個同心間斷環(huán)狀通道,其中,大圓半徑為5.5 mm,小圓半徑為4.5 mm。

氣相通道改進后的噴嘴三維模型如圖4所示。

圖4 氣相通道改進后的噴嘴三維模型

該結構改進方案可以有效地增大噴嘴氣相通道的截面積,降低氣相通道的壓力,減少霧化器氣流阻力的損耗,進而增加噴嘴氣流的射出速度,提高其霧化質量。

為了驗證該結構改進的合理性,針對改進前后的氣動霧化噴嘴的封閉空間,筆者進行了噴氣模型的網格劃分。

噴嘴在封閉空間噴氣模型的網格如圖5所示。

圖5 噴嘴在封閉空間噴氣模型的網格

噴氣模型的網格信息參數如表1所示。

表1 噴氣模型網格信息參數

筆者設置霧化器氣相入口壓力為0.25 MPa,并在其他設置不變的情況下,對該改進方案進行仿真研究。

2.2.2 仿真結果及分析

噴嘴氣相通道壓力和速度分布,如圖6所示。

圖6 噴嘴氣相通道壓力和速度分布

從圖6可以得出:改進后的氣相通道壓力降低,節(jié)流效果明顯減少;壓縮空氣在氣相通道內速度沒有明顯增加,從而減輕了供氣波動對霧化效果的影響;

同時,氣動霧化噴嘴射出的氣流速度較改進前的速度有明顯增加,因而加強了氣流對液體的沖擊力,有利于促進二次霧化的發(fā)生,提高其霧化效果。

3 噴嘴的數值模擬

3.1 幾何模型

在驗證了氣相通道改進的合理性后,筆者單獨針對兩種噴嘴的霧化性能進行對比研究。

改進后的噴嘴較原噴嘴改變了進氣口截面形狀,增大了進氣口截面積。其中,原噴嘴與改進后的噴嘴結構尺寸對比結果,如表2所示。

表2 噴嘴結構尺寸

3.2 網格劃分以及計算模型設置

首先,筆者采用Creo對噴嘴進行幾何建模。由于噴嘴幾何模型相對較復雜,而實際影響霧化效果的結構區(qū)域只有氣流和液體通過的流體域,因此,筆者將噴嘴導入到ICEM中,對噴嘴的各個結構分別進行命名,抽取噴嘴的流道區(qū)域進行網格劃分。

噴嘴內部流體域網格劃分結果如圖7所示。

圖7 噴嘴內部流體域網格劃分

兩相流模型的網格信息參數如表3所示。

表3 兩相流模型網格信息參數

氣液兩相流霧化屬于多相流問題,一般采用VOF模型捕獲多相流交界面中的拓撲變化,即利用流體體積分數跟蹤相與相之間的界面變化[21]。

筆者將求解器設置改為壓力基求解器,并在Fluent的material中,將霧化介質設置為空氣,霧化工質設置為水,其他計算模型參數設置不變。

兩相工質的物理屬性表如表4所示。

表4 兩相工質的物理屬性

霧化仿真工作參數設置結果如表5所示。

表5 霧化仿真工作參數

3.3 仿真結果及分析

為了充分研究氣相參數對噴嘴內外部流場特性的影響,筆者以氣相壓力作為自變量,選取4個不同水平參數,對其內外部流場進行模擬研究,并利用CFD-post19.0后處理軟件,得到霧化流場的壓力和速度云圖,進而得到噴嘴改進前后壓力和速度變化規(guī)律。

3.3.1 不同氣壓下壓力云圖

當氣相壓力分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa時,兩相流噴嘴內外流場的壓力分布仿真結果,如圖8所示。

圖8 原噴嘴與改進后噴嘴的壓力云圖

由圖8可知:隨著氣相壓力逐漸增加,原噴嘴和改進后的噴嘴內部流場壓力也在逐漸增大;

在同一氣相壓力下,改進后的噴嘴內部氣相流場壓力更大,說明噴嘴在結構改進之后,由于壺體與噴嘴氣相入口的連接處截面積增大,從而導致節(jié)流現象的產生和氣體能量的損耗減少;并且因為噴嘴氣相流場壓力分布更加均勻,使噴嘴整個氣相通道受力都較為均勻,所以延長了噴嘴的使用壽命;

同時,當氣相壓力從0.1 MPa逐漸增加到0.3 MPa時,會導致氣流的紊動擴散作用加強,在噴嘴出口附近形成不穩(wěn)定的負壓區(qū)。該負壓區(qū)會對液體形成吸力,加大其射流速度,從而利于保持液體噴霧效果的穩(wěn)定性;

當氣相壓力超過0.3 MPa時,噴嘴液相出口附近負壓效果更加明顯,符合伯努利原理[22],說明該模擬結果真實可靠。

3.3.2 不同氣壓下速度云圖

原噴嘴和改進后的噴嘴在不同氣壓下內外流場速度分布云圖,如圖9所示。

圖9 原噴嘴與改進后噴嘴的速度云圖

分析圖9可知:

在原噴嘴中,由于噴嘴進氣口截面積較小,在相同氣壓下,噴嘴內部的氣相通道進氣口附近速度會比改進后的噴嘴速度更快;但是,改進后的噴嘴速度和原噴嘴速度在出氣口附近相差不多。這是由于改進后的噴嘴因進氣口截面積擴大,進氣量足,而在噴嘴出氣口附近截面積驟然變窄,產生了節(jié)流現象,使得管道壓強變小,從而導致氣流速度變大;

因原噴嘴自身材料的問題,以及其內部氣相通道一直有高速氣流沖刷,導致其在使用時間過長時,氣相通道會有一定的磨損,從而降低了噴嘴自身的霧化性能。而改進后的噴嘴僅在噴嘴帽出氣口附近有高速氣流通過,所以氣相通道的磨損相對減少,且噴嘴帽便于更換,故使噴嘴的使用性能得到了提高。

筆者現在取噴嘴兩出氣口中心為端點做直線,在直線上采用post后處理軟件拾取點功能,取直線上10個點的速度求平均值,當作氣液混合流體軸向平均速度。

不同氣壓下噴嘴氣相通路改進前后速度曲線,如圖10所示。

圖10 不同氣壓下噴嘴氣相通路改進前后速度曲線

分析圖10可知:當氣相壓力為0.1 MPa時,原噴嘴出口噴霧的平均速度為8.94e+1 m/s,改進后的噴嘴出口噴霧的平均速度為9.56e+1 m/s,速度性能提升了6.94%;

當氣相壓力為0.30 MPa時,原噴嘴出口噴霧的平均速度為1.48e+2 m/s,改進后的噴嘴出口噴霧的平均速度為1.65e+2 m/s,速度性能提升了11.49%;

當氣相壓力為0.5 MPa時,原噴嘴出口噴霧的平均速度為2.14e+2 m/s,改進后的噴嘴出口噴霧的平均速度為2.23e+2 m/s,速度性能提升了4.21%。

在改進后噴嘴的氣相通路截面積速度云圖中,與原噴嘴相比,在噴嘴出口處形成了更加明顯的渦流,其流場也變得相對穩(wěn)定,說明氣相沖擊力剛好使得液體工質發(fā)生了霧化,沒有多余氣體能量向四周擴散,使得液相工質的流動變得相對通暢,從而避免了改進后的噴嘴出口處出現滴水以及氣體噪音的現象[23];

并且,噴嘴軸向噴霧速度云圖擴散得更遠,也更加對稱,這也表明了改進后的噴嘴出口處高速液滴占比更多、速度更快,二次霧化沖擊剪切力更強,從而有助于提高噴嘴的霧化質量,加快霧滴擴散速度;

當氣相壓力為0.7 MPa時,原噴嘴出口噴霧的平均速度為2.36e+2 m/s,改進后的噴嘴出口噴霧的平均速度為2.45e+2 m/s,速度性能提升了3.81%。

以上這些數據均表明:(1)針對氣相通路進氣口面積的改進設計模擬,可以加強氣動霧化噴嘴的噴霧效果;(2)但是當氣相壓力超過0.5 MPa時,由于氣相沖擊力過大,部分氣流沖出霧化區(qū)域,就會導致噴嘴內部流場穩(wěn)定性和對稱性的降低,從而影響霧化質量,甚至還會產生強烈氣流噪音[24]。

4 結束語

筆者以霧化器為研究對象,基于Fluent對氣動霧化噴嘴內部氣相通道流場進行了數值模擬,分析得出了原設計中氣體能量損失的原因,由此對原設備進行了局部結構改進,并對其進行了仿真計算研究。

研究結果表明:

(1)由于原設備壺體與噴嘴連接處產生節(jié)流現象,且氣流阻力損失主要在噴嘴上,筆者通過把噴嘴主體掏空,讓噴嘴進氣口由原來圓形截面變成環(huán)形截面,使得原設備氣相通道壓力減少,從而改善了噴嘴節(jié)流現象;

(2)改進后的噴嘴隨著氣壓的增大,噴嘴內流場壓力較原噴嘴也有所增大,但是由于高速氣體路徑縮短,從而減少了噴嘴內部氣流的損耗,減輕了氣相通道的磨損,延長了噴嘴的使用壽命;

(3)與原噴嘴速度相比,改進后的噴嘴外部流場噴霧速度更快,霧化流場對稱性更強,并與氣相壓力成正相關,這有利于提高霧滴的擴散和破碎速度,進而改善霧化的效果;同時,隨著氣相壓力的增加,噴嘴出口處噴霧速度的增長率在減小,這說明當氣相壓力增加到一定數值后,對噴霧速度的影響將會越來越小;當氣相壓力為0.7 MPa時,改進后的噴嘴速度會達到最大2.45e+2 m/s,但容易因氣壓過高原因,導致噴嘴出現過噴和氣流噪音大的問題,從而降低其經濟性。另外,當氣壓為0.3 MPa時,改進后的噴嘴速度達到1.65e+2 m/s,速度性能提升值達到最大，提升了11.49%。

因此,要提高噴嘴的霧化穩(wěn)定性,可以考慮將其氣壓固定在稍大于0.3 MPa附近,這時噴嘴的霧化質量會更好。

在后續(xù)的工作中,筆者將要對改進后的噴嘴進行實際的加工制造,并采用試驗的方法,進一步改善噴嘴的霧化特性,并將改進后的噴嘴應用到電梯轎廂的消毒中,研究噴嘴霧滴在電梯內的擴散分布效果及規(guī)律,為電梯快速高效消毒提供設計思路與理論指導。