一種新型造雪核子器的數(shù)值模擬研究

趙巍 潘書(shū)毅 張華 袁興陽(yáng) 孫承華

摘要：基于造雪機(jī)核心部件核子器，建立了核子器物理模型與內(nèi)流域模型，利用數(shù)值模擬方法對(duì) 核子器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，針對(duì)該核子器重要參數(shù)混合室長(zhǎng)度、核子器出口直徑的變化，首先 采用 VOF模型研究了核子器內(nèi)部氣液兩相分布情況，并使用 DPM模型研究了上述參數(shù)對(duì)核子器 霧化粒徑的影響，分析了霧化粒徑大小及其出現(xiàn)頻率的規(guī)律，研究核子器受關(guān)鍵幾何參數(shù)的影響 規(guī)律，為核子器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。模擬結(jié)果表明：核子器混合室長(zhǎng)度對(duì)其霧化效果有較大 的影響， 出口直徑對(duì)其霧化效果有一定的影響，該核子器達(dá)到較好霧化效果的結(jié)構(gòu)為混合室長(zhǎng)度 30 mm 、出口直徑 1.1 mm。

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬； 多相流噴嘴 ； 霧化粒徑 ； 索特爾直徑

中圖分類號(hào)：? TK 123???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：?? A

Numerical simulation of a new snow crystal sprayer

ZHAO Wei1， PAN Shuyi1， ZHANG Hua1， YUAN Xingyang1， SUN Chenghua2

（1. School of Energy and Power Eingineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China;

2. Beijing Carving Ski Group Co.， Ltd.， Beijing 100041， China）

Abstract： The snow crystal sprayer is the key component of the snow maker. Its atomization effect directly determines the snow forming ability of the snow maker. The physical model and inner internal flow field of the snow crystal sprayer were established based on the snow crystal sprayer， the core component of the snow maker. The internal flow field of the snow crystal sprayer was calculated by means of numerical simulation. In view of the change of the mixing chamber length and the outlet diameter of the snow crystal sprayer， the VOF model was used to study the gas-liquid two-phase distribution in the snow crystal sprayer. The DPM model was used to study the influence of the above parameters on the atomization particle size of the snow crystal sprayer. The rule of atomization particle size and occurrence frequency was analyzed， and the influence of key geometric parameters on the snow crystal sprayer was explored. This provides a scientific basis for the structural optimization of the snow crystal sprayer. The simulation results show that the length of the mixing chamber has a great influence on the atomization effect，and the outlet diameter has a certain influence on the atomization effect. The structure of the snow crystal sprayer to achieve better atomization effect is that the length of the mixing chamber is 30 mm and the diameter of the outlet is 1.1 mm.

Keywords：? numerical? simulation; multiphase flow? nozzle; atomization particle? size; Sauter? mean diameter

冬季是滑雪旅游的旺季，2022北京冬奧會(huì)的成功舉辦激起了廣大群眾對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)的熱情，大大促進(jìn)了我國(guó)冰雪運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，從北京成功申辦第24屆冬奧會(huì)開(kāi)始，各地紛紛建設(shè)滑雪場(chǎng)。2015年6月，國(guó)家?jiàn)W委會(huì)確定在北京舉辦冬奧會(huì)并提出人工造雪將會(huì)是張家口賽區(qū)的主要雪源[1]?；﹫?chǎng)是個(gè)對(duì)雪需求量極大的地方，但是，受限于氣象條件的影響，自然降雪未必能達(dá)到滑雪場(chǎng)的要求。目前，造雪機(jī)的發(fā)展方向是提高成核率，其中最為核心的部件就是核子器[2]。核子器是一種典型的兩相流噴嘴，通過(guò)與液體流動(dòng)方向成一定角度注入一定壓力的空氣，在內(nèi)部形成高速氣流，作為能量載體，經(jīng)過(guò)撞擊或者摩擦等與低速的液體發(fā)生相互作用。高速氣流在噴嘴內(nèi)流動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)作用足夠大時(shí)，能夠克服液體射流產(chǎn)生的黏性力與表面張力，致使液體被撕碎成一個(gè)個(gè)的小液滴[3]。核子器實(shí)現(xiàn)液體射流的破碎是依靠高壓氣體的輔助，國(guó)際上眾多學(xué)者認(rèn)為，提高液體射流與環(huán)境周邊空氣的相對(duì)速度是改善噴嘴霧化效果最有效的手段之一[4]。氣流無(wú)論是在噴嘴內(nèi)部與液體混合，還是在噴嘴外部與液體相互作用，都對(duì)霧化效果有明顯的提升[5]。

本文研究的核子器是內(nèi)混式噴嘴，氣液在噴出前先進(jìn)行混合，其在結(jié)構(gòu)上最顯著的特點(diǎn)是有一個(gè)供氣液混合的混合室。氣液兩相在混合室內(nèi)部相互作用，形成大量的液膜碎片與大小不均的液滴，噴出后在壓差作用下氣體迅速膨脹，進(jìn)一步霧化形成更細(xì)小的液滴[6]。與傳統(tǒng) Y 型核子器相比，本文使用的核子器由2個(gè)對(duì)稱的空氣入口與一個(gè)液體入口組成，這種結(jié)構(gòu)兩側(cè)呈一定角度進(jìn)氣，氣液混合更加均勻。目前與核子器相關(guān)的氣液混合式噴嘴已經(jīng)有了不少的研究。楊玉昆[7]研究了工作介質(zhì)水和空氣的混合比例對(duì)霧化性能的影響，結(jié)果表明，增加空氣的比例可以有效地優(yōu)化霧化性能；胡建林等[8]建立了氣動(dòng)霧化噴嘴的空氣與水的流動(dòng)模型來(lái)研究輔助霧化孔角度的改變對(duì)霧化特性的影響，結(jié)果表明，氣動(dòng)霧化噴嘴應(yīng)盡量選用較小的輔助霧化孔角度；王耀榮[9]研究了液體 ALR（air-liquid ratio）對(duì)噴嘴內(nèi)部液體的影響，當(dāng) ALR 由小變大時(shí)，混合室內(nèi)的液柱波動(dòng)性變得越來(lái)越小，壁面上液膜擾動(dòng)性也變得越來(lái)越小；張奎[10]研究了內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)對(duì)核子器霧化效果的影響，結(jié)果表明，增加進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)使得霧化效果有顯著的提高；江莉[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了噴嘴結(jié)構(gòu)和噴射條件改變時(shí)噴霧錐角變化不大的結(jié)論；肖彬[12]用實(shí)驗(yàn)的方法回歸出了內(nèi)混式霧化噴嘴的液體流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；馬其良等[13]以壓縮空氣和變壓器油為工質(zhì)，得出了內(nèi)混式介質(zhì)霧化噴嘴油、氣流量系數(shù)與運(yùn)行及結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式。張琳等[14]以常規(guī)內(nèi)混式噴嘴為研究對(duì)象，研究了工質(zhì)為燃料與霧化劑時(shí)不同混合室長(zhǎng)度對(duì)霧化粒徑的影響規(guī)律，得出了該種噴嘴的最佳混合室長(zhǎng)度為70～80 mm 。Jones 等[15]采用數(shù)值模擬的方法研究了內(nèi)混式噴嘴，其中，空氣為連續(xù)相，液滴為離散相，采用歐拉模型與拉格朗日模型計(jì)算了液滴的霧化粒徑，模擬值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的吻合性。張淑榮等[16]采用了組分輸運(yùn)模型對(duì) Y 型內(nèi)混式噴嘴的霧化效果進(jìn)行了模擬，介質(zhì)為燃油，結(jié)果表明，出口直徑的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于 Y 型內(nèi)混式噴嘴霧化效果具有顯著的影響。對(duì)于氣液混合式噴嘴來(lái)說(shuō)，混合室的長(zhǎng)度對(duì)霧化效果有著重要的影響，前人研究表明，特定型式的核子器混合室長(zhǎng)度以及出口直徑的變化會(huì)影響索特爾平均粒徑 D32的大小以及液滴粒徑分布，因此，混合室長(zhǎng)度和出口直徑是關(guān)鍵參數(shù)。本文采用數(shù)值模擬的方法研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)（核子器混合室長(zhǎng)度、出口直徑）對(duì)該核子器霧化效果的影響。

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

采用卡賓集團(tuán)所提供的核子器，結(jié)構(gòu)如圖1

所示，采用 UG 軟件建立數(shù)值仿真幾何模型。核子器的結(jié)構(gòu)與尺寸均按照卡賓所提供的核子器實(shí)物建立，核子器混合室長(zhǎng)度 H 為30 mm ，出口直徑 d 為1 mm。為研究不同混合室長(zhǎng)度和直徑對(duì)霧化效果的影響，對(duì)這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行小范圍縮放，最終選取范圍為27～39 mm與0.9～1.3 mm。外部噴霧場(chǎng)流域?yàn)橹睆?0 mm 、高200 mm 的圓柱形區(qū)域。網(wǎng)格劃分如圖2所示，由于該幾何模型比較復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.3 mm，近壁面處增加了邊界層網(wǎng)格，以確保計(jì)算的穩(wěn)定性和可靠性。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，并不是網(wǎng)格數(shù)量越大，計(jì)算越精準(zhǔn)，相反，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大時(shí)，計(jì)算精度并沒(méi)有被提高，反而會(huì)造成計(jì)算發(fā)散，出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)等結(jié)果。因此，為了保證后期模擬計(jì)算的網(wǎng)格都為最優(yōu)，且既要保證計(jì)算精度又不能浪費(fèi)計(jì)算資源，通常需要先作網(wǎng)格無(wú)關(guān)解分析。采用不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)確定該無(wú)關(guān)解，節(jié)點(diǎn)數(shù)依次取36萬(wàn)，55萬(wàn)，71萬(wàn)，98萬(wàn)，114萬(wàn)，123萬(wàn)，134萬(wàn)及142萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格加密系數(shù)約為1.2。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖3所示，從圖3中可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)增加到98萬(wàn)時(shí)，核子器出口速度 v 幾乎不再變化，因此，選擇網(wǎng)格數(shù)98萬(wàn)為計(jì)算網(wǎng)格。 n 為網(wǎng)格數(shù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型[17]

現(xiàn)介紹本模擬的數(shù)學(xué)模型。

a.質(zhì)量守恒方程。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)控制體的總凈流出質(zhì)量等于相同時(shí)間內(nèi)從外界流入控制體的質(zhì)量，即

式中：ρ為連續(xù)相密度； t 為時(shí)間； u ，v ，w 分別為控制體在 x，y，z 方向上的速度分量。

b.動(dòng)量守恒方程。

外界作用在微元體上的各種力之和等于該微元體中流體動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率。流體在 x ，y， z 方向上的動(dòng)量守恒方程為

式中： U 為流體速度；p 為控制體上的壓強(qiáng)；τ為作用在控制體表面上的黏性應(yīng)力；F 為作用在控制體上的外力。

c.能量守恒。

能量方程是指在單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的各種能量與外力所作的功之和等于控制體內(nèi)能量的增量，其表達(dá)式為

式中： T 為溫度； k 為傳熱系數(shù)； cp 為流體的比熱容； ST 為由于黏性作用由流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換來(lái)的熱能及流體的內(nèi)熱源。

d. VOF（volume of fluid）模型

目前主要有兩大類數(shù)值模擬方法用于解決多相流問(wèn)題：歐拉?歐拉方法和歐拉?拉格朗日方法。液體霧化過(guò)程中通常以連續(xù)的液膜或是大塊的液團(tuán)結(jié)構(gòu)存在，因此，在數(shù)值模擬中主要采用實(shí)現(xiàn)界面捕捉的歐拉方法，其中，較為常見(jiàn)的就是 VOF 模型[18]。在計(jì)算域中定義一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)函數(shù)α ， 用來(lái)表征模擬中的第二相在計(jì)算網(wǎng)格中所占的體積分?jǐn)?shù)。如圖4所示，α=1，則網(wǎng)格內(nèi)全部為液體；α=0，網(wǎng)格內(nèi)全部為氣體；當(dāng)0<α<1時(shí)，此處的網(wǎng)格內(nèi)為氣液混合物。

可以通過(guò)求解單個(gè)或多個(gè)相的體積分?jǐn)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相與相間的界面的跟蹤，方程為

式中：α為體積分?jǐn)?shù)； Ul為液相速度。

e.離散相模型。

液滴運(yùn)動(dòng)方程為

式中： FD 為離散相受到的拽力； F 為連續(xù)相對(duì)離散相的阻力； Up 為顆粒速度； g 為重力加速度；ρ為流體密度；ρp 為顆粒密度。

將噴嘴內(nèi)部及近噴嘴區(qū)域的流動(dòng)模擬分為2個(gè)步驟。首先對(duì)噴嘴內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)進(jìn)行瞬態(tài)模擬，時(shí)間步長(zhǎng)為2×10?6 s ，采用壓力基求解器，選擇 SIMPLE 算法進(jìn)行壓力速度耦合計(jì)算。考慮到氣液相間的能量交換，采用能量方程。 VOF 模型中設(shè)置空氣為第一相，水為第二相。相界面分辨模型選擇 Dispersed 類型，表面張力模型為連續(xù)表面張力模型，表面張力系數(shù)為0.073 N/m。湍流模型選擇 RNG k-ε模型，考慮湍流產(chǎn)生的黏性耗散效應(yīng)。噴嘴進(jìn)氣口采用壓力入口邊界條件，考慮空氣的可壓縮性，采用理想氣體模型，壓力大小為0.6 MPa。噴嘴進(jìn)水口采用壓力入口邊界條件，大小為1.5 MPa。噴霧場(chǎng)采用壓力出口邊界條件，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。初始化模式采用標(biāo)準(zhǔn)初始化，進(jìn)水口速度設(shè)為3.5 m/s，外部邊界設(shè)置為無(wú)滑移速度邊界條件，其他壁面均設(shè)置為絕熱壁面。噴嘴霧化數(shù)值模擬采用 DPM（discrete phase model）模型進(jìn)行瞬態(tài)模擬，其中，空氣為連續(xù)相，液滴為離散相。噴嘴霧化模型采用 air-blast- atomizer 模型，注射粒子類型為液體顆粒，顆粒注入流量等于液體的入口流量，顆粒釋放的計(jì)算方法采用 const-number 模型。液滴破碎模型選用 Wave 模型，采用動(dòng)態(tài)曳力模型來(lái)考慮液滴變形對(duì)阻力系數(shù)的影響。采用 RNG k-ε模型描述氣相湍流，考慮氣液兩相之間的耦合，流體相中湍流引起的顆粒彌散可以用隨機(jī)跟蹤模型來(lái)預(yù)測(cè)。

液滴的粒徑大小及分布可以用來(lái)判斷霧化效果的好壞。在實(shí)際的霧化過(guò)程中，液滴并不是規(guī)則的球體，工程上一般將這種不規(guī)則的球體折算為規(guī)則的球體來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化的計(jì)算。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，液滴平均粒徑的計(jì)算方法也不盡相同，在評(píng)價(jià)噴嘴霧化性能中應(yīng)用最為廣泛的粒徑標(biāo)準(zhǔn)為索特爾平均粒徑 D32，即表面積平均粒徑，其計(jì)算式為[19]

式中： n 為液滴總數(shù)； Di 為第 i 個(gè)液滴的粒徑。

1.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證核子器霧化模型的適用性，模擬了水壓0.4 MPa、氣壓 Pair 在0.4～0.48 MPa 之間的核子器霧化粒徑，并與上海理工大學(xué)科技冬奧項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用激光粒度儀測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬得到的 D32與實(shí)驗(yàn)值的相似度較高，趨勢(shì)完全符合，各工況誤差如表1所示，最大誤差為15.33%，考慮到數(shù)值模擬是在相對(duì)理想的條件下進(jìn)行的，且核子器受到工藝限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有一定差距，但也在合理范圍內(nèi)，故該數(shù)值模擬方法具有一定適用性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 混合室長(zhǎng)度對(duì)核子器霧化效果影響

對(duì)于氣液混合式噴嘴來(lái)說(shuō)，混合室的長(zhǎng)度對(duì)霧化效果具有重要的影響，有研究表明，其長(zhǎng)度的變化會(huì)影響 D32的大小以及液滴粒徑分布。圖6和圖7為不同混合室長(zhǎng)度條件下核子器內(nèi)部與出口處氣液相分布圖。從圖中可以看出，液體受到空氣的擠壓與剪切作用，在混合室兩側(cè)分布，隨著混合室長(zhǎng)度的增加，液膜在出口處發(fā)展越來(lái)越完全，氣液相分布越來(lái)越均勻。這是由于混合室長(zhǎng)度增加后氣液混合時(shí)間增加，混合更加充分。

圖8為不同混合室長(zhǎng)度出口處液膜厚度δ的變化情況。從圖中可以看出，液膜厚度開(kāi)始時(shí)較大，隨著混合室長(zhǎng)度 H 的增加，液膜厚度不斷減小，在長(zhǎng)度為33 mm 時(shí)達(dá)到最小值，但隨著混合室長(zhǎng)度繼續(xù)增加，液膜厚度呈增大的趨勢(shì)。這是由于隨著混合室長(zhǎng)度的增加，流體在混合室內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中受到的阻力增大，導(dǎo)致氣水混合物流速降低。雖然延長(zhǎng)混合室長(zhǎng)度使得液膜展開(kāi)更加完全，但由于流速降低，液滴容易聚合，使得液膜厚度反而變大。

圖9為不同混合室長(zhǎng)度條件下核子器內(nèi)部以及近核子器區(qū)域的速度云圖，計(jì)算時(shí)考慮了重力，實(shí)際上核子器的擺放方向是水平放置的，如圖2所示，重力的方向垂直于核子器出口方向，因此會(huì)導(dǎo)致氣流向重力方向偏移。通過(guò)分析圖9可以發(fā)現(xiàn)，空氣進(jìn)入核子器與水在混合室內(nèi)進(jìn)行混合后，由于空氣流通空間的變化，靜壓與動(dòng)壓的轉(zhuǎn)換增加了空氣的速度，在混合的過(guò)程中，液體與空氣相互摩擦沖擊，促進(jìn)了液體變?yōu)楦〉囊旱?，但是，隨著混合室長(zhǎng)度的增加，提供給液滴破碎的能量在混合室內(nèi)產(chǎn)生了損耗。在核子器的出口處，氣液混合物被噴出后因壓力差的原因，體積迅速膨脹，空氣速度得到進(jìn)一步的增加，加快了液絲與液膜等發(fā)生破碎，霧化為更小的液滴。

圖10為不同混合室長(zhǎng)度核子器內(nèi)部截面液滴速度分布圖。可以發(fā)現(xiàn)，最內(nèi)圍的空氣層速度較大，最外層的液體層速度較低，隨著混合室長(zhǎng)度的增大，噴嘴內(nèi)部速度分布逐漸趨于同心圓分布，但是，隨混合室長(zhǎng)度繼續(xù)增加，速度分布開(kāi)始變得不均勻，呈8字形分布。這是因?yàn)椋夯旌鲜议L(zhǎng)度的增加影響了核子器的泄流能力，氣體的流量總體呈下降趨勢(shì)，從而使得混合室內(nèi)的速度變慢，同時(shí)過(guò)長(zhǎng)的混合室會(huì)令流體排出時(shí)獲得更大的阻力，不利于液滴的霧化。

圖11為不同混合室長(zhǎng)度核子器液滴 D32變化圖，從圖中可以看出，霧化粒徑呈先減后增的趨勢(shì)，混合室長(zhǎng)度為30 mm 時(shí)霧化粒徑最小，可見(jiàn)混合室長(zhǎng)度在27～30 mm 內(nèi)能夠達(dá)到較好的霧化效果。圖12為不同混合室長(zhǎng)度粒徑分布頻率圖，從圖中可以看出，當(dāng)混合室長(zhǎng)度在27～30 mm 時(shí)，核子器霧化液滴粒徑分布范圍較窄，基本分布在小于110μm范圍內(nèi)，均勻性較好，特別是當(dāng)混合室長(zhǎng)度為30 mm 時(shí)，霧化粒徑分布頻率最大值達(dá)到40%，表明大部分液滴達(dá)到了較好的霧化效果。而當(dāng)混合室長(zhǎng)度繼續(xù)增加，霧化液滴粒徑分布范圍變大，均勻性變差，當(dāng) H=39 mm 時(shí)，液滴霧化粒徑分布均勻性最差，粒徑在大于190μm 范圍內(nèi)都有一定量的頻率占比，可見(jiàn)混合室長(zhǎng)度對(duì)霧化質(zhì)量的影響較大。

2.2 出口直徑對(duì)核子器霧化效果影響

圖13和圖14分別為不同出口直徑條件下，核子器內(nèi)部以及出口處氣液兩相分布情況。從圖中可以看出，隨著出口直徑的增加，核子器近壁面的液相逐漸減少。這是由于出口直徑增大后，核子器的整體泄流能力增強(qiáng)，液相再經(jīng)過(guò)混合室混合后能更容易地排出。同時(shí)觀察圖14的出口處的液相分布發(fā)現(xiàn)，隨著出口直徑 d 的增加，液相分布更加均勻。具體增加趨勢(shì)如圖15所示，在出口直徑0.9 mm 時(shí)液膜厚度比1.0 mm時(shí)要略大，這是由于核子器出口處泄流能力有限，導(dǎo)致氣液混合物在出口處排出阻力較大，從而形成稍厚的液膜。隨著出口直徑不斷增加，核子器排出氣液混合物量的增加，在出口處流經(jīng)氣液混合物的量增加，在出口邊緣形成了較厚的液膜。

圖16為不同出口直徑條件下核子器內(nèi)部以及近核子器區(qū)域的速度云圖。通過(guò)觀察圖16可以發(fā)現(xiàn)，核子器出口處的速度隨著出口直徑的增大而增大。在同樣的運(yùn)行參數(shù)下，隨著核子器出口直徑的增加，氣液混合物流量增大，而當(dāng)出口直徑較小時(shí)，噴嘴排泄能力較弱，流動(dòng)阻力較大，導(dǎo)致整體速度減小。圖17為混合室中間液滴速度分布圖，隨著出口直徑的增加，核子器排泄能力增加，混合室內(nèi)氣液混合物流動(dòng)速度增加。因此，在霧化過(guò)程中，當(dāng)核子器出口直徑較大時(shí)，空氣流量更大，使得其能提供更多的霧化能量，液膜更容易被撕裂為小液滴，強(qiáng)化霧化效果。

圖18和圖19分別為不同出口直徑的 D32分布與粒徑頻率分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著核子器出口直徑的增加，D32呈先減小后增大的趨勢(shì)，且在1.1 mm 時(shí)達(dá)到最小值。這是由于出口直徑的增加使得核子器出口流量增加，混合室內(nèi)空氣速度增加，使得霧化能量增加，強(qiáng)化了核子器的霧化效果，但是，當(dāng)出口直徑超過(guò)1.1 mm 時(shí)，過(guò)大的流量會(huì)使混合室內(nèi)的氣液混合物在未混合充分時(shí)就被噴出。觀察圖19可以發(fā)現(xiàn)，出口直徑 d=0.9～1.1 mm 時(shí)粒徑分布相對(duì)集中，主要分布在小于70μm 范圍。從圖19的局部放大圖可以看出，當(dāng)核子器出口直徑繼續(xù)增大時(shí)，大直徑液滴所占比率相對(duì)增多，這是由于雖然出口直徑較大時(shí)空氣速度增加。但是，未經(jīng)完全混合的氣液混合物中氣液兩相的相互碰撞時(shí)間減少，同時(shí)會(huì)增大粒徑大于90μm液滴的比率，使得液滴大小分布不均勻，并且對(duì) D32的計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大影響，導(dǎo)致整體平均粒徑增大。

3 結(jié) 論

對(duì)核子器霧化效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究核子器不同混合室長(zhǎng)度以及不同出口直徑的變化對(duì)核子器霧化效果的影響，從而探索該種核子器的最佳霧化效果結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果表明：

a.核子器混合室長(zhǎng)度對(duì)其霧化效果有較大影響，當(dāng)混合室長(zhǎng)度在30 mm 附近時(shí)，氣液混合效果較好，且不會(huì)過(guò)多地浪費(fèi)霧化過(guò)程中空氣所提供的動(dòng)能，霧化得到的液滴粒徑分布較為均勻，霧化效果較好。

b.核子器不同的出口直徑對(duì)核子器霧化效果有一定影響。當(dāng)出口直徑過(guò)小時(shí)，核子器泄流能力有限，液滴多次碰撞聚合使得霧化效果變差；當(dāng)核子器出口直徑較大時(shí)，流量增加，流速增加，但是，混合程度減弱，使得霧化液滴中有較多的大顆粒，且分布不均勻。當(dāng) d=1.1 mm 時(shí)取得的霧化效果相對(duì)較好。

c.綜上所述，該種核子器達(dá)到較好霧化效果的結(jié)構(gòu)為混合室長(zhǎng)度30 mm、出口直徑1.1 mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛明策， 王琦， 田亮.2022年北京冬季奧運(yùn)會(huì)人工造雪氣象條件初步研究[J].氣候變化研究進(jìn)展 ， 2018， 14（6）：547–552.

[2]劉國(guó)強(qiáng) ， 熊通 ， 晏剛 ， 等.人工造雪技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào)， 2021， 42（5）：1–16.

[3]穆文樂(lè).內(nèi)混式空氣助力噴嘴噴霧特性的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2014.

[4][美]諾曼·奇格.能源、燃燒與環(huán)境[M].韓昭滄， 郭伯偉， 譯.北京：冶金工業(yè)出版社， 1991

[5]曹建明， 李跟寶， 朱輝.空氣助力噴嘴霧化特性實(shí)驗(yàn)研究[J].新能源進(jìn)展， 2018， 6（4）：267–273.

[6]張征 ， 樊未軍 ， 楊茂林.雙路離心式噴嘴霧化特性研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)， 2003， 24（1）：153–156.

[7]楊玉昆.造雪機(jī)核子器霧化性能仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱商業(yè)大學(xué)， 2021.

[8]胡建林， 鄭水華， 汪軍印， 等.氣動(dòng)霧化噴嘴輔助霧化孔角度優(yōu)化[J].輕工機(jī)械， 2021， 39（6）：75–80.

[9]王耀榮.內(nèi)混式空氣霧化噴嘴內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)特征試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2021.

[10]張奎.內(nèi)混式空氣霧化噴嘴霧化特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].湘潭：湖南科技大學(xué)， 2019.

[11]江莉.噴嘴結(jié)構(gòu)及噴射條件對(duì)內(nèi)混式空氣霧化性能影響試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2015.

[12]肖彬.內(nèi)混式二相流噴嘴流量特性[J].化學(xué)工程， 2006， 34（12）：28–30.

[13]馬其良， 張秋婷， 畢政益.內(nèi)混式油噴嘴流量特性實(shí)驗(yàn)研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 28（3）：253–256.

[14]張琳， 王立坤， 薛磊， 等.內(nèi)混式噴嘴流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)， 2012， 26（6）：959–963.

[15] JONES W P， LETTIERI C. Large eddy simulation of spray atomization with stochastic modeling of breakup[J]. Physics of Fluids， 2010， 22（11）：115106.

[16]張淑榮， 尹洪超.空氣霧化燃油噴嘴的噴霧數(shù)值模擬[J].能源技術(shù)， 2007， 28（1）：14–16.

[17]王志奇， 陳柳明， 肖炳英， 等.重油燃燒器 Y 型噴嘴氣液兩相流動(dòng)與霧化特性模擬[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào) ， 2021，21（10）：1167–1176.

[18] HIRT C W， NICHOLS B D. Volume of fluid （VOF） method for the dynamics of free boundaries[J]. Journal ofComputational Physics， 1981， 39（1）：201–225.

[19]曹建明.噴霧學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.

（編輯：石 瑛）