流體力學(xué)仿真技術(shù)在電子霧化器結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

趙柏陽(yáng) 臧佳棟 陸文龍 段紅星 何友鄰 嚴(yán)資林

（1．深圳市基克納科技有限公司，廣東 深圳 518102；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）理學(xué)院，廣東 深圳 518055）

隨著新型煙草行業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)電子霧化器的需求日益增加，同時(shí)對(duì)霧化效果的要求也不斷提高。影響霧化效果的其中1 個(gè)因素是結(jié)構(gòu)特性，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Trehy M L等[1-2]采用不同抽吸模式對(duì)氣溶膠進(jìn)行捕集研究。段沅杏等[3]研究了不同材質(zhì)的金屬發(fā)熱絲對(duì)煙氣成分的影響。李壽波等[4]利用氣溶膠的光學(xué)特性研究了不同因素對(duì)煙霧質(zhì)量濃度的影響。牛淑潔等[5]對(duì)霧化過(guò)程的傳熱現(xiàn)象進(jìn)行理論分析并對(duì)比了不同組合方案的導(dǎo)油棉的積碳情況。

除上述影響因素外，結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致空氣流動(dòng)變化，尤其是氣體流量和速度差異，對(duì)霧化器性能影響非常大。在空氣流動(dòng)研究工具中，計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)可以幫助工程師快速地對(duì)電子霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該文以某款電子霧化器為例，采用數(shù)值模擬方法探究不同進(jìn)氣方式對(duì)空氣流動(dòng)的影響并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。該文演示了流體力學(xué)仿真技術(shù)在電子霧化器結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵作用，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程實(shí)踐提供參考。

1 建立數(shù)值模型

1.1 幾何模型及邊界條件設(shè)置

電子霧化器的性能主要受電子霧化過(guò)程的影響。電子霧化過(guò)程一般需要電子霧化液和電子霧化器配合實(shí)現(xiàn)，具體包括以下5 個(gè)過(guò)程： 1） 電子霧化液被導(dǎo)油介質(zhì)吸附在內(nèi)部。2）發(fā)熱金屬絲與導(dǎo)油介質(zhì)接觸。3） 霧化器通電驅(qū)動(dòng)金屬絲發(fā)熱，使其中的電子霧化液被加熱汽化。4） 汽化后的電子霧化液蒸汽與吸入的常溫空氣氣流相遇，形成氣溶膠。5） 最終由霧化器出口流出后進(jìn)入口腔。在上述過(guò)程中，氣體通道結(jié)構(gòu)對(duì)最后2 個(gè)步驟有決定性的影響。電子霧化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此內(nèi)部形成的氣體通道也比較復(fù)雜。霧化器內(nèi)部的剖面圖如圖1 所示，2 個(gè)入口的面積均為0.9 mm2，出口面積為31.7 mm2，主氣道直徑為2.6 mm，2個(gè)內(nèi)部氣體通道的直徑均為2.0 mm。對(duì)該幾何模型進(jìn)行處理，得到氣體通道計(jì)算域（如圖2（a）所示）并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖2（b）所示）。

圖1 霧化器內(nèi)部剖面圖（兩側(cè)進(jìn)氣）

圖2 氣體通道幾何及網(wǎng)格模型

為了模擬真實(shí)抽吸情況，設(shè)置抽吸容量為55 mL，抽吸時(shí)間為3 s，抽吸間隔為30 s。出口類型為流量出口，經(jīng)計(jì)算后流量為18.3 mL/s，入口類型為壓力入口，相對(duì)壓力為0 Pa，壁面無(wú)滑移。湍流模型選擇SST 模型，該模型可以更好地捕捉因流道方向改變而導(dǎo)致的流動(dòng)變化，有效地預(yù)測(cè)近壁面處的分離流動(dòng)。SST 模型以湍動(dòng)能k和其比耗散率ω為求解變量，其控制方程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ρ為密度；k為湍流動(dòng)能；t為時(shí)間；Ui為xi方向的速度；xi為坐標(biāo)位置（i=1，2，3，分別代表x、y和z方向）；μt為湍動(dòng)黏度；Pk為停滯區(qū)域湍流限制函數(shù)，；β、β*和σw2為常數(shù)；S為應(yīng)變速率；F1為混合函數(shù)；σk和σw分別為k和w的湍流普朗特?cái)?shù)；α為常數(shù)；ω為湍動(dòng)能的比耗散率；μ為動(dòng)力黏度[6]。

所有SST 模型中的常數(shù)都是通過(guò)α=α1F1+α2（1-F1）從相應(yīng)的函數(shù)中混合計(jì)算出來(lái)的，這些常數(shù)如下：β*=0.09，α1=5/9，β1=3/40，σk1=0.85，σω1=0.5，α2=0.44，β2=0.0828，σk2=1，σω2=0.856。求解方式選擇SIMPLEC 算法，殘差RMS 設(shè)置為10-4，以保證計(jì)算的精度。

1.2 數(shù)值模型適用性驗(yàn)證

吸阻指霧化設(shè)備在特定抽吸容量下出口與入口的壓降。目前，吸阻測(cè)試試驗(yàn)在電子霧化領(lǐng)域已經(jīng)非常普遍且可靠，因此實(shí)際測(cè)試的吸阻數(shù)據(jù)可以有效地驗(yàn)證數(shù)值模型的適用性。試驗(yàn)使用東莞精耀儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的2 工位吸阻試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件分別設(shè)置為抽吸容量25 mL、35 mL 以及55 mL，抽吸時(shí)間均為3 s，每組試驗(yàn)取3 個(gè)動(dòng)態(tài)吸阻并計(jì)算平均值（見(jiàn)表1）。數(shù)值模型與試驗(yàn)輸入條件保持一致，通過(guò)計(jì)算獲得吸阻數(shù)據(jù)并將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。

表1 吸阻數(shù)據(jù)對(duì)比表

一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分的尺寸越小、數(shù)量越多，數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性越高，但是巨大的網(wǎng)格數(shù)量會(huì)大幅度增加計(jì)算的時(shí)間。為了避免網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的影響，選取3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格（網(wǎng)格數(shù)分別為335 703 個(gè)、759 832 個(gè)和1 036 360 個(gè)）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。取主氣道橫截面中心線速度分布數(shù)據(jù)對(duì)比3 種網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果的差異（如圖3 所示），由圖3 可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為335 703 時(shí)，氣道中心速度整體偏低，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量過(guò)少、尺寸過(guò)大，會(huì)影響計(jì)算的精度；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為759 832 和1 036 360時(shí)，計(jì)算結(jié)果基本一致，證明網(wǎng)格數(shù)量的增加可以進(jìn)一步提高計(jì)算精度，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，反而會(huì)增加計(jì)算資源的消耗。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量的速度分布圖

在進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)后，數(shù)值計(jì)算模型使用的網(wǎng)格數(shù)量為759 832，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)比圖如圖4 所示。數(shù)值模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，因此該數(shù)值模型可用于霧化器的氣流分析。

2 不同進(jìn)氣方式霧化器對(duì)比分析

2.1 幾何模型

在驗(yàn)證了數(shù)值模型的適用性后，使用該數(shù)值模型對(duì)3 款不同進(jìn)氣方式的電子霧化器進(jìn)行對(duì)比。3 款霧化器的進(jìn)氣方式分別為兩側(cè)進(jìn)氣（如圖2（a）所示）、單側(cè)雙進(jìn)氣孔進(jìn)氣（圖5（a）所示）以及側(cè)面+背面進(jìn)氣（如圖5（b）所示）。這3 種組合是工程實(shí)踐中常見(jiàn)的3 種進(jìn)氣口設(shè)計(jì)方式。不同的進(jìn)氣口排列方式改變了霧化器的內(nèi)部氣道結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)霧化的過(guò)程和產(chǎn)品的性能造成影響。

圖5 霧化器幾何模型

2.2 計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)3 款電子霧化器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，初始及邊界條件設(shè)置與第1.1 節(jié)相同。以側(cè)面+背面進(jìn)氣方式為例，計(jì)算結(jié)果的整體流線圖如圖6（a）所示。整個(gè)氣體域包括2 個(gè)氣體通道及1 個(gè)主氣道（如圖6（b）所示）。為了比較3 個(gè)結(jié)構(gòu)的差異，選取3 個(gè)通道的截面，從進(jìn)氣量、流量分配比例以及速度分布3 個(gè)方面來(lái)對(duì)比3 款霧化器的差異，并對(duì)實(shí)際抽吸效果進(jìn)行比較。

圖6 氣道結(jié)構(gòu)及流線示意圖

2.2.1 進(jìn)氣量及流量分配比例對(duì)比

3 款不同霧化器的氣體通道進(jìn)氣總量如圖7 所示。由圖7 可知，兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器進(jìn)氣量明顯比其他2 款霧化器高，單側(cè)雙進(jìn)氣孔霧化器進(jìn)氣量最低。

圖7 進(jìn)氣量對(duì)比圖

在氣體流量分配方面，主要對(duì)比氣體通道一和通道二間的流量分配差異。兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器氣道界面速度分布如圖8 所示（×標(biāo)記為主氣道位置），2 個(gè)氣體通道內(nèi)整體區(qū)域速度差異很小且進(jìn)氣流量分配比例非常均勻（如圖9所示）。

圖8 速度分布對(duì)比（兩側(cè)進(jìn)氣）

圖9 流量分配比例（兩側(cè)進(jìn)氣）

側(cè)面+背面進(jìn)氣方式的霧化器氣道截面速度分布如圖10 所示，2 個(gè)氣體通道內(nèi)整體區(qū)域速度差異較大且高速區(qū)集中在流道邊緣處。此外，進(jìn)氣流量分配比例也存在較大差異（如圖11 所示）。

圖10 速度分布對(duì)比（側(cè)面+背面進(jìn)氣）

圖11 流量分配比例（側(cè)面+背面進(jìn)氣）

單側(cè)雙進(jìn)氣孔方式的霧化器氣道截面速度分布如圖12所示，2 個(gè)氣體通道內(nèi)整體區(qū)域速度差異巨大且高速區(qū)集中在流道邊緣處，進(jìn)氣流量分配比例相對(duì)均勻，但是仍然存在微小差異（如圖13 所示）。

圖12 速度分布對(duì)比（單側(cè)雙進(jìn)氣孔）

圖13 流量分配比例（單側(cè)雙進(jìn)氣孔）

從霧化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器進(jìn)氣位置對(duì)稱分布，兩側(cè)進(jìn)氣量和流動(dòng)特征一致性高。因此，兩側(cè)進(jìn)氣方式的進(jìn)氣氣道利用率更高，整體氣流分布更均勻，整體氣流流量也是3 款霧化器中最大的。

對(duì)側(cè)面+背面進(jìn)氣方式的霧化器來(lái)說(shuō)，側(cè)面進(jìn)氣口到內(nèi)部氣體通道的距離比背面進(jìn)氣口更遠(yuǎn)，氣體主要通過(guò)背面進(jìn)氣孔進(jìn)入霧化器內(nèi)部，因此氣流也主要發(fā)布在離背面進(jìn)氣口更近的氣體通道中。這導(dǎo)致該進(jìn)氣方式對(duì)進(jìn)氣氣道的利用率比兩側(cè)進(jìn)氣方式低，因此整體氣流流量也比兩側(cè)進(jìn)氣方式低。

由于單側(cè)雙進(jìn)氣孔霧化器的進(jìn)氣孔集中在一側(cè)且2 個(gè)進(jìn)氣孔距離較近，霧化器另一側(cè)的空間完全閑置，因此整體的流量是3 個(gè)進(jìn)氣方式中最低的。該文還對(duì)單側(cè)雙進(jìn)氣口和單側(cè)單進(jìn)氣口的仿真分析進(jìn)行比較，結(jié)果證明，雙孔的進(jìn)氣作用與單孔差別不大。

2.2.2 主氣道速度分布分析

兩側(cè)進(jìn)氣、側(cè)面+背面進(jìn)氣以及單側(cè)雙進(jìn)氣孔霧化器主氣道的截面速度分布圖如圖14~圖16 所示。由圖14~圖16 可知，兩側(cè)進(jìn)氣方式主氣道速度分布更均勻并且高速區(qū)所占面積更大。為了進(jìn)一步探究經(jīng)過(guò)霧化區(qū)域空氣的流動(dòng)特性，選取主氣道中y=0.07 m 橫截面（霧化區(qū)中心所在位置）對(duì)比分析主流速度分布，并在第一高速區(qū)（速度范圍3.0 m/s~4.6 m/s）與第二高速區(qū)（速度范圍3.2 m/s~3.6 m/s）的邊緣等值線上沿周向隨機(jī)選取10 個(gè)點(diǎn)（如圖14~圖16 所示），獲取隨機(jī)點(diǎn)到壁面的距離，從而對(duì)比數(shù)據(jù)分布均勻性的差異。

圖14 速度分布圖（兩側(cè)進(jìn)氣）

圖15 速度分布圖（側(cè)面+背面進(jìn)氣）

圖16 速度分布圖（單側(cè)雙進(jìn)氣）

主氣道中氣流速度分布越均勻，越有利于霧化區(qū)的熱量交換，可以有效避免局部溫度過(guò)高產(chǎn)生的焦糊味并且霧化過(guò)程穩(wěn)定，氣溶膠釋放的一致性較高。主流高速區(qū)邊緣隨機(jī)點(diǎn)到壁面間的距離可以反映該點(diǎn)的氣流速度對(duì)壁面的影響。3種不同進(jìn)氣方式霧化器的隨機(jī)點(diǎn)到壁面的距離對(duì)例如圖17所示，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)差可知，兩側(cè)進(jìn)氣方式的數(shù)據(jù)均勻程度最高，說(shuō)明兩側(cè)進(jìn)氣主氣道速度分布更均勻，更有利于霧化。

圖17 隨機(jī)點(diǎn)到壁面的距離

表2 隨機(jī)點(diǎn)到壁面距離對(duì)比表

結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果可以得出以下3 個(gè)結(jié)論：1） 進(jìn)氣量。兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器的進(jìn)氣量最大，其他2 種霧化器差異較小。2） 氣體通道截面速度分布。兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器速度分布最均勻，側(cè)面+背面進(jìn)氣次之，單側(cè)雙孔進(jìn)氣速度分布差異最大。3） 氣體通道流量分配比例。兩側(cè)進(jìn)氣方式的霧化器速度分布最均勻，單側(cè)雙孔次之，側(cè)面+背面進(jìn)氣流量分配比例差異最大。

在工程實(shí)踐中，實(shí)際霧化效果通常由主觀感官評(píng)測(cè)確定。3 款不同進(jìn)氣方式的霧化器在實(shí)際霧化效果評(píng)測(cè)中，兩側(cè)進(jìn)氣效果最好，單側(cè)雙孔進(jìn)氣次之，側(cè)面+背面進(jìn)氣效果最差。這也證明進(jìn)氣量越大、速度分布及氣體通道分配比例越均勻，霧化效果就越好。

3 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，從進(jìn)氣量、流量分配比例以及速度分布方面對(duì)3 款不同進(jìn)氣方式的霧化器進(jìn)行對(duì)比，最終得到以下4 個(gè)結(jié)論：1） 不同的進(jìn)氣方式會(huì)影響進(jìn)氣量，進(jìn)氣量從大到小的變化規(guī)律為兩側(cè)進(jìn)氣、側(cè)面+背面進(jìn)氣和單側(cè)雙進(jìn)氣。2） 不同進(jìn)氣方式會(huì)影響霧化器氣道中的流量分配比例和氣體截面速度分布。兩側(cè)進(jìn)氣的流量和速度分布是3 種進(jìn)氣方式中最均勻的。3） 受進(jìn)氣方式的影響，主氣道速度分布均勻性從高到低的變化規(guī)律為兩側(cè)進(jìn)氣、側(cè)面+背面進(jìn)氣和單側(cè)雙進(jìn)氣。4） 進(jìn)氣量越大、速度分布及氣體通道分配比例越均勻，霧化效果就越好。

上述研究證明，數(shù)值模擬方法可以有效地對(duì)霧化器內(nèi)部的空氣流動(dòng)特性進(jìn)行分析，從而對(duì)影響霧化效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行探索。在工程實(shí)踐中，可以將數(shù)值模擬的方法應(yīng)用于霧化器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變不同參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)性能較高的霧化器。通過(guò)數(shù)值模擬的方法可以有效提高工程技術(shù)人員的開(kāi)發(fā)效率，并降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的物料、模具和時(shí)間成本。同時(shí)，該方法可以幫助工程技術(shù)人員從空氣流動(dòng)和霧化機(jī)理的角度解釋不同樣機(jī)性能差別的原因，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化指出方向，從而提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平。