空氣霧化噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的瞬態(tài)研究

吳宇軒，李弘志，趙明強(qiáng)

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

對(duì)于空氣霧化噴嘴的霧化研究中，流體在內(nèi)部的流動(dòng)變化是重中之重。研究噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的變化規(guī)律能夠加深對(duì)液滴碎裂機(jī)理的認(rèn)識(shí)以及對(duì)構(gòu)建噴嘴的模型具有重要意義[1]。而單純靠傳統(tǒng)的理論研究的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的科研需求，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)噴霧研究的現(xiàn)象已經(jīng)日益廣泛[2-3]。現(xiàn)在也有研究者用數(shù)值模擬的方法來(lái)研究空氣霧化噴嘴的內(nèi)部的流動(dòng)特征，但大多數(shù)研究者都是將噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程當(dāng)作一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，由而噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)變化實(shí)際是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，具有不穩(wěn)定型，所以穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況有較大差距。故本文通過(guò)Fluent軟件對(duì)兩相流噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算來(lái)分析其內(nèi)部流動(dòng)的特性，為噴嘴的優(yōu)化以及研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考[4-5]。

1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

圖1為噴嘴內(nèi)部的二維平面圖，有三個(gè)氣體入口孔，其直徑Da=2 mm；一個(gè)液體入口孔，其直徑Dl=1 mm；一個(gè)氣液出口孔，其直徑d=1.6 mm?；旌鲜抑睆紻=9 mm，混合室長(zhǎng)度L=12.3 mm，氣液出口孔長(zhǎng)度l=2 mm。

噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的三維模型的建立是通過(guò)Gambit軟件，然后在ICEM軟件中劃分噴嘴的網(wǎng)格模型，如圖2所示。由于模型為不規(guī)則形，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量為292×104。

圖2 噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格模型

2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

噴嘴內(nèi)部?jī)上嗔髂Ｐ瓦x擇流體體積函數(shù)（Volume Of Fluid,VOF）模型，設(shè)置空氣為第一相，水為第二相[6]。設(shè)置湍流模型為（Large Eddy Simulation, LES）的壁面適應(yīng)局部渦粘性（Wall Adapting Local Eddy, WALE）模型，壓力速度耦合方式采用（Pressure Implicit with Splitting of Operators, PISO）算法[7]。

氣相和液相入口邊界條件分別設(shè)置為壓力入口邊界和速度入口邊界條件[8]，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?？諝馊肟诘目倝涸O(shè)置為0.031 MPa，液態(tài)水的流量是10 L/h、15 L/h和20 L/h，對(duì)應(yīng)的入口速度為3.537 m/s、5.305 m/s、7.074 m/s。

時(shí)間步長(zhǎng)選擇為0.000 01s，迭代次數(shù)為20，時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)量選擇為400，總時(shí)間大概為0.004 s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 噴嘴中心軸線上數(shù)據(jù)分析

對(duì)噴嘴中心軸線上的壓力和速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析，中心軸線是指從液體入口孔到氣液出口孔的距離，也就是x=4 mm到x=14.3 mm的距離。

圖3是不同液體流量下的中心軸線上壓力變化曲線圖?？梢钥闯龈髑€初始曲線幾乎重合，這是因?yàn)閲娮炜諝馊肟诘膲毫χ迪嗟?；從液相入口到出口，隨著距離的增加，噴嘴內(nèi)部軸線的壓力在混合室內(nèi)幾乎不變直至接近進(jìn)入噴孔處時(shí)壓力開(kāi)始驟降，最后在噴孔出口處壓力達(dá)到最小值幾乎為0。

圖3 不同液體流量下的中心軸線上壓力變化曲線

圖4是不同液體流量下的中心軸線上速度變化曲線圖?？梢钥闯龈髑€初始曲線相差較大，這是因?yàn)橐后w流量不同所以液態(tài)水進(jìn)入噴嘴的速度也不相同；從液體進(jìn)入噴嘴直至離開(kāi)噴嘴，隨著距離的增加，噴嘴內(nèi)部軸線上的速度在混合室內(nèi)幾乎不變，直到接近噴孔處，速度開(kāi)始急劇上升至噴孔出口處速度達(dá)到最大值。

結(jié)合圖3和圖4可以看出在接近噴孔到噴嘴出口孔的過(guò)程中，液體流量越大中心軸線上的速度越大、壓力越小，這是因?yàn)樵谶M(jìn)入噴孔時(shí)，液體需要有更大的速度使液體進(jìn)入噴孔，所以壓力轉(zhuǎn)換為速度使得液體速度增加，而液體流量越大轉(zhuǎn)化為速度的壓力需求也更大，壓力也就下降得更多，壓力就越小。

圖4 不同液體流量下的中心軸線上壓力變化曲線

3.2 噴嘴不同截面上數(shù)據(jù)分析

在噴嘴內(nèi)部上x(chóng)為6 mm、7.8 mm、9.3 mm、10.5 mm、11.4 mm、12 mm、12.3 mm、12.6 mm、13.2 mm和14.3 mm的橫截面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析。

圖5是不同液體流量下各截面上壓力變化曲線圖。從圖中可以看出壓力的變化趨勢(shì)與中心軸線上基本相同，隨著距離的增加，截面上的壓力剛開(kāi)始幾乎不變，在接近噴孔出口處壓力開(kāi)始下降且下降趨勢(shì)較大，然后在噴孔前半段下降趨勢(shì)減小，噴孔后半段下降趨勢(shì)再度變大，最后在噴孔出口處壓力值達(dá)到最小但比大氣壓強(qiáng)稍大一點(diǎn)。

圖5 不同液體流量下各截面上壓力變化曲線

圖6是不同液體流量下各截面上速度變化曲線圖。隨著距離的增加，截面上的速度剛開(kāi)始有微小趨勢(shì)的上升，在接近噴孔處速度開(kāi)始急劇上升，然后在進(jìn)入噴孔后速度開(kāi)始有較小的下降然后速度變化平緩下來(lái)直至達(dá)到極大值。

圖6 不同液體流量下各截面上速度變化曲線

圖7是不同液體流量下各截面上氣相體積變化曲線圖。從圖中可以看出各曲線初始曲線幾乎重合，隨著距離的增加，截面上的氣相體積分?jǐn)?shù)剛開(kāi)始有微小趨勢(shì)的下降，在接近噴孔處氣相體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始急劇下降，然后在進(jìn)入噴孔后氣相體積分?jǐn)?shù)先有較大趨勢(shì)的上升然后上升趨勢(shì)減小下來(lái)直至達(dá)到極大值。

圖7 不同液體流量下各截面上氣相體積變化曲線

結(jié)合圖5、圖6和圖7，可以看出壓力和速度出現(xiàn)較大的變化都是在噴孔入口端附近，這是因?yàn)樵跉怏w和液體都在競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入噴孔，而噴孔的直徑小于混合室的直徑，因此，在進(jìn)入噴孔前壓力驟降，速度驟升，在進(jìn)入噴孔后速度和壓力變化就平緩，但因?yàn)橐后w要從噴孔出口出去，所以在噴孔后端的壓力出現(xiàn)驟降，直至接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。也是因?yàn)閺幕旌鲜业絿娍椎慕孛婷娣e減小，使得氣體和液體之間的相互作用更加激烈，從而使得氣相體積分?jǐn)?shù)在進(jìn)入噴孔前迅速下降直到在噴孔入口處達(dá)到最小值，然后在進(jìn)入噴孔后氣相體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始緩慢上升直至在噴孔出口處達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)建立的空氣霧化噴嘴內(nèi)部的三維模型進(jìn)行大渦模擬，并有針對(duì)性地對(duì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，得到如下結(jié)論：

1）在噴嘴內(nèi)部中心軸線上，當(dāng)空氣入口壓力不變的情況下，隨著距離的增加，初始階段也就是噴嘴處于混合室內(nèi)階段中不同液體流量下的壓力大小基本相同且壓力、速度的變化趨勢(shì)十分穩(wěn)定，而在接近噴嘴噴孔入口端階段壓力開(kāi)始急驟下降，速度開(kāi)始迅速提高，最后在噴孔出口處壓力達(dá)到最小值，速度達(dá)到最大值。同時(shí)進(jìn)入噴嘴的液體流量越大，噴嘴出口處的流速也會(huì)越大。

2）在噴嘴內(nèi)部不同截面上，當(dāng)空氣入口壓力不變的情況下，噴嘴混合腔內(nèi)的壓力、速度在初始階段隨著距離變化十分穩(wěn)定且不同液體流量下的壓力曲線幾乎重合，速度隨著距離變化有輕微趨勢(shì)的上升，氣相體積分?jǐn)?shù)隨著距離變化有輕微趨勢(shì)的下降且不同液體流量下的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線幾乎重合；在噴嘴噴孔入口端壓力和氣相體積分?jǐn)?shù)急驟下降，速度迅速提高；在進(jìn)入噴孔后壓力下降趨勢(shì)減小，然后在噴孔后端迅速下降直至接近大氣壓，速度變化則較為平穩(wěn)，先輕微減小再緩慢上升至極大值，氣相體積分?jǐn)?shù)反而開(kāi)始上升，趨勢(shì)由大變小直至最大值。

3）利用 Fluent 軟件對(duì)噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)情況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，能為改善噴嘴霧化質(zhì)量以及研發(fā)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。