基于FLUENT的高壓精細(xì)霧化噴嘴特性研究*

張嘉麗，李 浩，梁文宏

（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安710021）

0 引言

從20 世紀(jì)開始人們就對霧化噴嘴內(nèi)部流動狀態(tài)進(jìn)行模擬研究。Dumouchel C 等[2]運用渦流函數(shù)來計算霧化噴嘴內(nèi)流場。Baharanchi A A[3]利用VOF 模型和湍流模型對霧化場進(jìn)行研究分析，并對霧化場采用不同湍流模型進(jìn)行研究，得出RNGk-ε模型在可以保證仿真計算的時候，計算成本也大大下降。浙江大學(xué)的尹俊連[4]采用VOF 和RNGk-ε模型研究霧化噴嘴內(nèi)部的氣流兩相流流動狀態(tài)。VOF 模型的方法來研究高壓精細(xì)旋流霧化噴嘴，與實驗結(jié)果也有較高的吻合[5]。Madsen J 等[6]對壓力旋流式霧化噴嘴采用LES 和VOF 模型結(jié)合的方法進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

在噴嘴實際應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型其假定流體流動各向均勻湍流，對于流體的旋轉(zhuǎn)運動沒有一個很好的計算[7]。因此對于高壓精細(xì)霧化噴嘴模擬來說，此方法不合適，RNGk-ε對比標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，它在計算過程中考慮了湍流旋流，計算精度有很大的提高，它能更好地模擬噴嘴內(nèi)部強旋轉(zhuǎn)流動等復(fù)雜流動[8]，而且比標(biāo)準(zhǔn)湍流模型具有更高的精度。

綜上，對于霧化噴嘴的研究主要是對常溫狀態(tài)下的液體進(jìn)行數(shù)值模擬，對于高溫霧化研究較少。本文根據(jù)絲束熱濕處理時選用的高壓精細(xì)霧化噴嘴工作原理，構(gòu)建噴嘴三維模型，同時為精確反映噴嘴流場特性，采用大工顯測量旋芯重要尺寸，文中采用VOF 兩相流模型結(jié)合RNGk-ε的方法對高壓精細(xì)霧化噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，重點研究流場速度分布以及液體不同溫度對出口壓力的影響，為后期工程應(yīng)用提供重要參考。

1 噴嘴物理模型的建立

1.1 噴嘴幾何模型

圖1 所示為高壓精細(xì)霧化噴嘴剖視圖，它主要由噴孔、螺紋帽、帶狹縫的旋芯、彈簧、過濾棉及噴嘴殼體等組成。高壓精細(xì)霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡單、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)及動力設(shè)備等行業(yè)。根據(jù)高壓精細(xì)霧化噴嘴整體剖視圖，在噴嘴旋芯后端區(qū)域主要為圓環(huán)形流動，流體區(qū)域面積變化不大，液體經(jīng)過旋芯狹縫到旋流室這一段時，流域面積發(fā)生突變，導(dǎo)致流場狀況也發(fā)生了改變。因此，在下述工作中主要對旋芯到旋流室區(qū)域的特性進(jìn)行研究。

圖1 旋流霧化噴嘴剖視圖

高壓精細(xì)霧化噴嘴霧化原理如圖2 所示，液體由切向進(jìn)入旋流室內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)室內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，壓力能轉(zhuǎn)變成液滴動能，然后由小孔高速噴出，出口處會形成液滴群形狀，之后與空氣接觸，形成表面波，表面波的形成使得液膜伸長變薄，最后破碎成細(xì)小霧滴[9]。

圖2 高壓精細(xì)霧化噴嘴霧化原理

根據(jù)高壓精細(xì)霧化噴嘴霧化原理，高壓精細(xì)霧化噴嘴的狹縫尺寸、噴孔大小和操作壓力對霧化產(chǎn)生的效果以及生產(chǎn)能力起著重要的決定作用。采用游標(biāo)卡尺測量高壓精細(xì)霧化噴嘴尺寸，由于旋芯狹縫和噴孔采用游標(biāo)卡尺測量誤差較大，為了模型更加可靠、準(zhǔn)確，采用大工具顯微鏡測量狹縫和噴嘴噴孔尺寸，得到如表1 所示的噴嘴尺寸。

表1 高壓精細(xì)霧化噴嘴重要尺寸mm

1.2 噴嘴物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)高壓精細(xì)霧化噴嘴工作原理，旋芯狹縫使得流體區(qū)域面積突變對噴嘴霧化的效果影響較大[10]，同時為了節(jié)約計算時間，縮小網(wǎng)格數(shù)量簡化仿真，其忽略對仿真無明顯影響，根據(jù)以上得到的高壓精細(xì)霧化噴嘴尺寸，在Solidworks三維軟件中建立內(nèi)部流道模型，如圖3所示。

梳理廉政風(fēng)險點。進(jìn)駐后，紀(jì)檢組及時收集閱讀各單位廉政工作等方面資料，對主要業(yè)務(wù)、人員情況有初步了解，深入基層調(diào)研，進(jìn)一步排查各單位廉潔風(fēng)險點，對4家單位60個廉政風(fēng)險點基本做到心中有數(shù)，制定針對性監(jiān)督防范預(yù)案。

圖3 高壓精細(xì)霧化噴嘴幾何模型

模型的網(wǎng)格劃分是求解微分方程的重要問題之一，網(wǎng)格劃分是否合理是數(shù)值模擬重要一步，合理的網(wǎng)格劃分可以極大簡化方程求解。本文采用ICEM CFD 軟件對旋流霧化噴嘴進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了計算的高效性，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法對噴嘴進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分單元數(shù)為205 181，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為30 586，網(wǎng)格劃分如圖4 所示。由于高壓精細(xì)霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于幾何尺寸突變的地方，即狹縫和旋流室連接位置以及出口處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化的方式進(jìn)行加密，如圖4（b）所示，保證了數(shù)值模擬計算的可靠性，經(jīng)驗證網(wǎng)格質(zhì)量符合要求。

圖4 高壓精細(xì)霧化噴嘴三維網(wǎng)格劃分

2 噴嘴內(nèi)流場數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 基本控制方程

本模型對所研究的高壓精細(xì)霧化噴嘴的實際物理現(xiàn)象作了如下假設(shè)：由于噴嘴所使用的工作介質(zhì)是溫度在20～95 ℃的熱水，噴嘴內(nèi)部流場中有溫度熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，考慮液體是否有熱量傳遞，熱傳遞有3 種基本方式：導(dǎo)熱、對流和輻射，在實際長期工作中，金屬管道和噴嘴處的溫度一致，不考慮換熱和對流；保溫箱附近裝有絕熱層，不考慮熱輻射；液體在噴嘴內(nèi)部的流動為不可壓縮，噴嘴內(nèi)存在空氣和水，氣液之間無理化反應(yīng)；噴嘴入口和出口的勢能差很小，可忽略不計；忽略質(zhì)量力的影響。

基于上述模型的假設(shè)，流體在旋芯狹縫處及旋流室內(nèi)的流場數(shù)值模擬計算時除了求解連續(xù)性方程和動量方程外，由于涉及不同液體溫度，還需要求解能量方程[11]。

連續(xù)性方程：

式中：P為液體的密度；vˉ為速度矢量。

動量守恒方程：

式中：keff?T為熱傳導(dǎo)導(dǎo)致的能量變化；hjJj為組分導(dǎo)致的能量變化；τeff·U為黏性耗散導(dǎo)致的能量變化。

2.2 邊界條件與控制參數(shù)設(shè)置

合適的邊界條件對于流場解的計算準(zhǔn)確性至關(guān)重要，根據(jù)高壓精細(xì)霧化噴嘴的內(nèi)部實際流動狀況，噴嘴出口位置有空氣芯的存在。因此，高壓精細(xì)霧化噴嘴流體域邊界條件入口設(shè)置為壓力入口（為工作壓力2.6 MPa），入口第二項設(shè)為1，表明入口處全部是水，溫度為50 ℃，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壓力值為0 Pa（與外界大氣壓相等），并設(shè)置出口第二項回流為0，表明發(fā)生回流時，回流全部為氣體，其余為壁面，采用無滑移絕熱壁面。

在求解過程中采用SIMPLE 算法，壓力項采用PRESTO!，動量項采用二階迎風(fēng)格式，體積分?jǐn)?shù)采用compressive 離散格式，湍動能項、湍粘系數(shù)和雷諾應(yīng)力項采用一階迎風(fēng)格式，瞬態(tài)計算過程中時間步長設(shè)置為10-5s，每步迭代計算100 次，計算進(jìn)行到第二項的流動狀態(tài)基本不再發(fā)生改變，認(rèn)為此時流體發(fā)展完全，停止計算。

3 仿真結(jié)果與分析

在對高壓精細(xì)霧化噴嘴進(jìn)行分析時，選擇不同截面進(jìn)行分析，能更好理解噴嘴內(nèi)部流場特性，如圖5 所示為狹縫處和旋流室處的截面位置，分析狹縫處和旋轉(zhuǎn)室內(nèi)的速度場、壓力場云圖。

圖5 噴嘴旋芯狹縫處和旋流室處位置示意圖

3.1 速度場分析

高壓精細(xì)霧化噴嘴入口壓力設(shè)置為2.6 MPa，液體溫度設(shè)置為323.15 K，出口壓力為0 MPa（大氣壓），初始時刻為空氣，模擬得到旋流霧化噴嘴速度云圖和速度矢量云圖。

圖6 所示為數(shù)值模擬得到的噴嘴內(nèi)流場速度云圖，從圖6（a）中可以看出去離子水經(jīng)狹縫到旋流室時，速度梯度變化呈圓環(huán)狀，中心速度最高，越向外速度逐漸降低，最外緣速度最小，速度方向呈繞中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動?？v向觀察圖6（b）所示的旋流室軸向截面速度云圖，可以看出噴嘴在旋流室內(nèi)中心區(qū)域到噴嘴邊緣，速度先增加后減少，認(rèn)為是高壓精細(xì)霧化噴嘴在噴霧過程中，中心壓力變小幾乎接近真空，外部氣壓大于噴嘴截面中心處壓力，空氣形成了倒吸，產(chǎn)生負(fù)壓，使得噴嘴截面中心處速度變??；橫向來看，高壓精細(xì)霧化噴嘴經(jīng)旋流室后速度是逐漸增大的，速度越大，噴霧的射程越遠(yuǎn)，并從噴口高速噴出。

圖6 高壓精細(xì)霧化噴嘴速度云圖

圖7 所示為噴嘴速度矢量云圖，由圖可知，液體在旋流室內(nèi)產(chǎn)生強烈的渦旋運動，渦旋的強弱對于旋流是有很大影響的，且中間區(qū)域的渦旋強度比中間區(qū)域以外的區(qū)域渦旋速度要大很多，旋流室內(nèi)液體由于旋芯作用產(chǎn)生渦旋的同時，高速涌向出口噴出。

圖7 高壓精細(xì)霧化噴嘴速度矢量云圖

3.2 壓力場分析

圖8 所示為旋流霧化噴嘴在2.6 MPa 供水壓力下的壓力云圖。由圖可以看出噴嘴在工作中，噴嘴內(nèi)部壓力很大，噴嘴外邊緣壓力幾乎不變等于入口壓力，壓力變化主要發(fā)生在旋流室和出口處，且旋流室處越靠近中心區(qū)域壓力越低，同時可以認(rèn)為壓力損失主要發(fā)生在于旋流室和噴口處。

圖8 旋流霧化噴嘴壓力云圖

3.3 溫度場分析

應(yīng)工程需求，保溫箱內(nèi)絲束經(jīng)過時要在20～95 ℃的環(huán)境下加熱加濕，研究保溫箱內(nèi)溫度的變化對壓力的影響是非常重要的，通過前面的分析、現(xiàn)場實驗情況以及文獻(xiàn)資料，霧化首先在同一壓力下通過設(shè)置不同的溫度，來觀察在噴嘴內(nèi)部溫度是否變化，在初始化后，設(shè)置監(jiān)測出口溫度走勢圖如圖9 所示，溫度走勢圖幾乎沒有變化，入口溫度和出口溫度是等同的。

圖9 不同溫度的出口溫度走勢

查閱資料得知溫度對水的黏性是有影響的[12]，如圖10 所示。為了更好地研究不同液體溫度對霧化特性影響，對霧化溫度在20～95 ℃的狀態(tài)下壓力進(jìn)行數(shù)值模擬計算，此階段的出口壓力曲線圖（所說的相對壓力指相對大氣壓的壓力）如圖11所示。

圖10 水的黏溫特性曲線

圖11 不同溫度下出口壓力曲線

從圖11 可以看出，同一入口壓力不同溫度下出口壓力是不同的，隨著高壓精細(xì)霧化噴嘴內(nèi)液體溫度逐漸升高，出口壓力逐漸減小，溫度越高，出口壓力下降越明顯，且為負(fù)壓，負(fù)壓的產(chǎn)生是因為外部空氣卷吸入噴嘴，在噴嘴中軸線處形成了負(fù)壓區(qū)。對比入口壓力，溫度較低時，壓力差不明顯，霧化噴嘴內(nèi)液體溫度越高時，壓力差越大，且在較高溫度時噴嘴出口壓力受溫度影響更加明顯。在90 ℃時，入口壓力為2.6×106Pa，出口壓力為-6.98×104Pa，壓力差最大。結(jié)合圖10 水的黏溫特性曲線，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，水的黏度將逐漸降低，水的黏性主要是水分子之間的內(nèi)聚力引起的，當(dāng)水溶液溫度升高時，水分子之間的內(nèi)聚力減弱。因此溫度越高，水的黏度越小，射流更容易霧化，出口壓力逐漸減小。

4 結(jié)束語

本文采用FLUENT 仿真軟件對噴嘴霧化流場進(jìn)行數(shù)值分析，通過觀察高壓精細(xì)霧化噴嘴內(nèi)部速度云圖、速度矢量云圖和壓力云圖，分析高壓精細(xì)霧化噴嘴在旋流室和出口處速度、壓力變化比較大。對于狹縫處截面速度、速度矢量和壓力云圖，從中心到外側(cè)，速度逐漸減小，壓力逐漸增大；對于旋流室處的速度、速度矢量和壓力云圖，旋流室內(nèi)形成繞中心旋轉(zhuǎn)的渦旋運動，且不斷向前運動，直至到噴嘴出口高速噴出。由于工程要求在不同溫度下進(jìn)行濕熱處理，因此對不同溫度下的出口壓力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度不斷的增加，液體的黏性會下降，液體射流更容易霧化，出口壓力減小，且在較高溫度時，出口壓力受黏溫特性影響更加明顯。