扇形噴嘴參數(shù)與霧場(chǎng)均勻度影響研究

沈正昊,丁國(guó)清,陳 欣

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 201100)

0 引言

扇形噴嘴以其搭建簡(jiǎn)單、霧化效果好、噴射壓力大的特點(diǎn),在農(nóng)藥噴灑[1]、噴霧清洗[2]以及噴霧冷卻[3]等場(chǎng)合得到廣泛使用。扇形噴嘴噴射的霧場(chǎng)為扇形,單次噴灑在被噴灑面上會(huì)形成如長(zhǎng)橢圓形的噴灑區(qū)域,這種特殊的噴灑形狀對(duì)于多次噴灑流量均勻分布具有積極意義。

為了提高扇形噴嘴的應(yīng)用效率,選擇符合需求的噴嘴,對(duì)于霧化的理論與應(yīng)用的研究也在不斷地發(fā)展。目前對(duì)于霧化噴嘴的研究方向主要有以下2個(gè)方面:一是霧化機(jī)理方面,主要研究液體在液膜或液柱的形態(tài)下與空氣相互作用,產(chǎn)生一次碎裂與二次碎裂的機(jī)理,進(jìn)而對(duì)液滴霧化半徑、大小、半徑分布等多種參數(shù)進(jìn)行理論研究;二是噴嘴優(yōu)化方面,主要針對(duì)噴嘴的流量、霧化角以及霧化均勻性等方面對(duì)噴嘴性能進(jìn)行優(yōu)化,使噴嘴更加符合工業(yè)需求,而優(yōu)化的主要方式為改變噴嘴孔徑、切槽角、相對(duì)切深等扇形結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究方式包括通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與對(duì)應(yīng)儀器(高速攝影、相位多普勒粒子分析儀等)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行研究以及基于CFD(computational fluid dynamics)仿真計(jì)算對(duì)霧化噴嘴的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算研究。

在霧化噴嘴破碎機(jī)理方面,整體的破碎機(jī)理已經(jīng)有了比較完備的研究,對(duì)于液滴破碎與湍流動(dòng)能、液體密度以及液體黏度等特性對(duì)液滴破碎的影響已經(jīng)有了較完備的研究。至今,針對(duì)破碎模型仍在不斷補(bǔ)充與修正,如程會(huì)川等[4]研究韋伯?dāng)?shù)對(duì)霧化噴嘴一次破碎影響規(guī)律,Khezzar等[5]利用高速攝影及相位多普勒風(fēng)速儀對(duì)水-空氣射流霧化器噴霧的平均液滴尺寸和速度分布進(jìn)行了測(cè)量。

由于噴嘴優(yōu)化與生產(chǎn)實(shí)際具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,因此對(duì)這一方面的研究也是目前的主流,且在實(shí)驗(yàn)研究與仿真計(jì)算研究2個(gè)方面都有較為深入的探究。如在實(shí)驗(yàn)方面,Wei等[6]通過實(shí)驗(yàn)的方式探究了噴嘴的液滴尺寸、壓力與流量等參數(shù),劉冬梅等[7]對(duì)扇形噴頭的結(jié)構(gòu)與壓力對(duì)霧滴分布及活性的影響進(jìn)行了研究。在CFD仿真計(jì)算領(lǐng)域,由于計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的提升,基于有限元仿真計(jì)算噴霧流場(chǎng)的研究也在不斷進(jìn)行,陳雁等[8]使用歐拉-歐拉法對(duì)噴槍的噴涂流場(chǎng)性能進(jìn)行了研究,侯俊花[9]使用仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式研究了噴嘴形狀對(duì)于噴嘴性能的影響。

然而,目前對(duì)于噴嘴性能優(yōu)化的研究主要集中在改善霧化質(zhì)量、改變霧化角度及研究霧化液滴的直徑分布等內(nèi)容,對(duì)于如何改善噴嘴的霧場(chǎng)分布仍較有限。目前主流的觀點(diǎn)認(rèn)為,扇形噴嘴的霧場(chǎng)分布一般有均勻分布與近高斯分布2種情況。然而在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),噴嘴的霧量濃度分布與主流觀點(diǎn)以及廠家提供的信息具有差距,最后產(chǎn)生的結(jié)果為具有三峰的流量分布,而非均勻或類似高斯分布。在研究與使用過程中,這種流量分布已經(jīng)被研究人員所發(fā)現(xiàn)[10],且研究人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種分布與噴嘴自身參數(shù)具有關(guān)聯(lián)性,然而對(duì)于噴嘴參數(shù)如何影響霧場(chǎng)流量的分布,如何得到更均勻的扇形噴嘴的研究仍然很少。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的可能原因有:

1) 對(duì)于扇形噴嘴的應(yīng)用場(chǎng)合,目前的均勻度已經(jīng)可以支撐實(shí)際生產(chǎn),現(xiàn)有的模型具有一定誤差。

2) 目前主流的研究都基于噴霧的速度場(chǎng)與粒徑研究,速度場(chǎng)與粒徑分布具有較高的均勻性。

3) 若需要足夠均勻分布的噴嘴,則有性能更好的其他噴嘴類型選擇。

使用CFD仿真計(jì)算,對(duì)影響噴嘴霧場(chǎng)分布的噴嘴參數(shù)進(jìn)行了研究,以提高扇形噴嘴霧場(chǎng)流量分布的均勻性,對(duì)改進(jìn)噴嘴均勻度具有指導(dǎo)意義。

1 噴霧原理

1.1 碎裂模型

在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中,噴嘴已經(jīng)發(fā)展出多種品類,例如生活中的花灑、噴霧罐以及工業(yè)中的各種噴嘴。從使用方式上來講,噴嘴的噴霧方式主要包括單相噴嘴以及兩相噴嘴。無論是單相噴嘴還是兩相噴嘴,其霧化的原理具有一致性,主要靠噴嘴噴射出液體后與空氣之間的相互渦流作用,最終打碎成細(xì)小的液滴,實(shí)現(xiàn)噴霧的功能。而兩相噴嘴的空氣相具有更大的能量,從而能將液體撕裂[11]。

從霧化形式上講,霧化一般認(rèn)為有圓射流破碎霧化與液膜破碎霧化2種類型。噴嘴噴出的實(shí)心液體柱被稱為液體圓射流。當(dāng)圓射流從噴嘴連續(xù)噴出時(shí),其與外界氣體相互作用,從而在表面形成一定模式的振動(dòng)波。振動(dòng)波振幅會(huì)逐漸增大,當(dāng)超過液體表面張力時(shí)會(huì)碎裂成液片和大顆粒的液滴。

液膜破碎霧化根據(jù)噴嘴類型可分為平面液膜和環(huán)形液膜[12]。與圓射流類似,當(dāng)液膜射流從噴嘴噴出后,與周圍空氣相互作用,導(dǎo)致液膜表面形成振動(dòng)波,振動(dòng)波振幅逐漸增大,最終碎裂成液滴。York等[13]對(duì)平面液膜的破碎機(jī)理進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,認(rèn)為液膜表面波的波長(zhǎng)、頻率、氣體的流動(dòng)速度、液膜的表面張力以及氣液密度都會(huì)影響液膜的碎裂,其碎裂半徑如下:

(1)

式中,qm為液體的質(zhì)量流量; ΔP為噴射壓力與環(huán)境氣體背壓之差;σl為液膜表面張力系數(shù);ρg為環(huán)境氣體的密度。

而液膜破裂為霧滴的時(shí)間為:

(2)

1.2 扇形噴嘴噴霧原理

扇形噴嘴是一種平面液膜噴嘴,最終產(chǎn)生窄橢圓形或窄矩形的霧流,如圖1所示。這種噴嘴是由撞擊式噴嘴演化而來的[14]:當(dāng)兩股直徑和流速相等射流以不小于90°的夾角碰撞時(shí),在碰撞的位置會(huì)產(chǎn)生扇形平面液膜,實(shí)現(xiàn)噴嘴霧化,如圖2所示。扇形噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)能夠在噴嘴內(nèi)部實(shí)現(xiàn)類似的射流碰撞效應(yīng),從而在噴嘴出射口實(shí)現(xiàn)扇形液膜。相比于圓射流原理的霧化噴嘴,扇形噴嘴流量范圍大、霧化角范圍大且低壓下霧化性能好,具有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖1 扇形噴嘴噴射霧流示意圖

1.扇形噴;2.圓射流噴嘴

1.3 霧場(chǎng)分布參數(shù)

1) 霧化錐角。霧化錐角是指2個(gè)噴霧弧的切線之間的夾角,反映了霧化噴嘴能夠噴射的最大范圍。霧場(chǎng)分布會(huì)受到噴射范圍的影響,均勻度和流量也有一定影響。

2) 流量分布。流量表示某一位置流過液體的瞬時(shí)流量,是整個(gè)霧場(chǎng)分布的基礎(chǔ),是實(shí)際生產(chǎn)中關(guān)心的參數(shù),決定了最終噴灑的均勻度。

2 噴嘴流場(chǎng)計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算域模型與網(wǎng)格劃分是仿真計(jì)算準(zhǔn)確的基礎(chǔ),較為稀疏的網(wǎng)格劃分能夠加快計(jì)算的速度,提高運(yùn)算的效率,而相對(duì)應(yīng)的是可能會(huì)造成結(jié)果精度上的誤差;較為密集的網(wǎng)格劃分能夠保證計(jì)算結(jié)果的精度,而相對(duì)應(yīng)的是運(yùn)算設(shè)備的負(fù)荷相對(duì)較大。

2.1 內(nèi)流域模型

扇形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

基于上述參數(shù)對(duì)噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)模型使用Design Modeler(DM)進(jìn)行了模型搭建,該結(jié)構(gòu)為流場(chǎng)仿真計(jì)算域,如圖4所示。

圖4 扇形噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)模型

2.2 外流場(chǎng)與區(qū)域劃分

外流場(chǎng)將直徑50 mm、高度50 mm的區(qū)域作為計(jì)算域,同時(shí)噴嘴與外流場(chǎng)之間還有一段連接域,在該連接域?qū)?shí)現(xiàn)兩股射流的碰撞,形成扇形液膜。最終得到的扇形噴嘴及過渡區(qū)域與外流場(chǎng)如圖5所示。

圖5 扇形噴嘴及過渡區(qū)域與外流場(chǎng)

基于仿真計(jì)算與后處理的需求,對(duì)內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行區(qū)域劃分,結(jié)果如圖6所示。Inlet為液體注入口,其作用為向噴嘴內(nèi)部進(jìn)行噴射。Wall為壁面,具有阻擋流體的作用,在計(jì)算過程中將計(jì)入該壁面的影響。其余壁面都被設(shè)置為Outlet,為計(jì)算出口,軟件會(huì)計(jì)算該位置為開放域。Air空間域?yàn)橥獠康牟糠至鲌?chǎng)域,為后處理分析的主要區(qū)域。Puz空間域?yàn)閲娮靸?nèi)流場(chǎng)影響的主要區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)部流速以及流量大小與Air域有很大的差距,因此與Air域分離計(jì)算。

圖6 內(nèi)外流場(chǎng)區(qū)域劃分示意圖

2.3 網(wǎng)格劃分

過密的網(wǎng)格會(huì)加大計(jì)算量,從而導(dǎo)致計(jì)算的收斂性較差[15]。網(wǎng)格劃分的原則為在復(fù)雜計(jì)算的位置進(jìn)行較密集的網(wǎng)格劃分,而在簡(jiǎn)單計(jì)算的位置進(jìn)行較稀疏的網(wǎng)格劃分,中間過渡階段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格從密到疏的過渡。

2.3.1 網(wǎng)格加密

在噴嘴內(nèi)部與噴嘴射出后的外流道處,液流互相碰撞并擴(kuò)散,從而產(chǎn)生具有扇形形狀的霧場(chǎng),是液流快速變化的區(qū)域,因此該部分需要人為手動(dòng)進(jìn)行加密處理。Meshing軟件的加密功能能夠在被加密區(qū)域形成足夠的有限元,確保被計(jì)算區(qū)域的精度。模型中,在噴嘴孔徑內(nèi)能夠生成尺寸小于孔徑1/10的有限元網(wǎng)格,保證液流流動(dòng)的準(zhǔn)確性。

2.3.2 網(wǎng)格質(zhì)量

網(wǎng)格偏度是評(píng)價(jià)網(wǎng)格劃分好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)[16],表示了單個(gè)有限元網(wǎng)格相較于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的偏移量,是一個(gè)0～1的數(shù)字,越接近1則代表該網(wǎng)格質(zhì)量越差。

在最終劃分結(jié)果中,絕大部分網(wǎng)格的偏度在0.14～0.5的范圍內(nèi),平均偏度為0.254,最大偏度為0.91,最小偏度約為0,滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

2.3.3 網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格尺寸代表網(wǎng)格基本單元的尺寸長(zhǎng)度。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性,分別選取0.5、1、1.5、5 mm尺寸的網(wǎng)格,根據(jù)基礎(chǔ)模型進(jìn)行仿真計(jì)算,獲得噴霧流場(chǎng)的容積分布云圖,如圖7所示。

圖7 仿真計(jì)算容積分布云圖

使用5 mm尺寸網(wǎng)格的仿真結(jié)果與另外3種尺寸網(wǎng)格相差較大,因此并不能使用5 mm尺寸網(wǎng)格。將網(wǎng)格尺寸從1.5 mm一直減小到0.5 mm,得到的仿真結(jié)果變化不大,同時(shí)0.5 mm尺寸與1 mm尺寸的網(wǎng)格仿真結(jié)果的變化已經(jīng)較小,繼續(xù)提高網(wǎng)格的精細(xì)程度會(huì)造成計(jì)算結(jié)果難以收斂、計(jì)算時(shí)間較久的問題,因此綜合考慮計(jì)算性能后,將1 mm尺寸的網(wǎng)格作為研究使用的網(wǎng)格尺寸。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

3 數(shù)值求解

3.1 湍流模型

湍流模型使用Realizablek-ε模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在Realizablek-ε模型中,會(huì)對(duì)k與ε兩個(gè)變量進(jìn)行計(jì)算,與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)算方程為[17]:

Gb-ρε-Ym+Sk

(3)

(4)

式中,Gk由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb由浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Ym為可壓縮湍流脈動(dòng)碰撞對(duì)總耗散率的影響;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),分別取1.44、1.92、0.09;σk、σε為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù),分別取1.0、1.3。

3.2 兩相流基本控制方程

質(zhì)量守恒方程為:

(5)

式中,下標(biāo)q為g和d時(shí),分別表示氣相和液相;αq為相體積率;νq為q相的速度(m/s);ρq為q相的密度(kg/m3)。

動(dòng)量守恒方程為:

-αq▽p+▽?duì)觪+αqρqg+Ftd,q+Fq

(6)

式中,τq為q相的粘性應(yīng)力(N/m2);p為相共用的壓力(N/m2);g為重力加速度(m/s2),Ftd,q為q相的單位體積湍流分散力(N/m3);Fq為單位體積相間作用力(N/m3)。

3.3 模擬條件和參數(shù)設(shè)定

對(duì)扇形噴嘴模型在正常使用過程中的霧量均勻性進(jìn)行研究,其中需要考慮重力因素,靜止時(shí)充滿空氣,模型基于水相與氣相之間的相互作用進(jìn)行計(jì)算,因此求解模型設(shè)置為兩相流模型。整個(gè)求解時(shí)間設(shè)定為0.01 s,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該時(shí)間下整個(gè)動(dòng)態(tài)仿真模型能夠達(dá)到穩(wěn)定噴射狀態(tài),進(jìn)入穩(wěn)定噴射狀態(tài)后的后續(xù)狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生較大幅度變化,接近于實(shí)際生產(chǎn)過程的噴射狀態(tài),同時(shí)盡可能簡(jiǎn)化計(jì)算步驟,減少計(jì)算量。

將仿真模型Inlet表面設(shè)置為壓力入口界面,射入物質(zhì)設(shè)置為100%水,其他位置設(shè)置為初始0%水,對(duì)應(yīng)100%空氣。外流場(chǎng)的Outlet邊界設(shè)定為壓力出口,且均采用escape邊界條件。

數(shù)值計(jì)算結(jié)束后,軟件將保存計(jì)算結(jié)果,使用后處理軟件CFD-POST即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的可視化處理。使用CFD-POST中的自定義公式功能,對(duì)噴灑平面上的霧量流量進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算式為:

Qw=Fraw×Vw×d

(7)

式中,d為扇形長(zhǎng)軸方向上有限元的寬度;Fraw為該有限元內(nèi)水的占比;Vw為該有限元計(jì)算得到的整體流速。

初始設(shè)置模型噴射壓力為0.3 MPa,接口形狀為球形。有限元計(jì)算基于ANSYS Fluent商業(yè)軟件,計(jì)算方法為有限體積法,基于Windows 64位操作系統(tǒng)的12核心Xeon CPU工作站,運(yùn)行內(nèi)存為128 G。

4 結(jié)果與分析

4.1 噴霧流場(chǎng)形狀

計(jì)算結(jié)束后,最終對(duì)流量Q進(jìn)行后續(xù)處理,取空間中的3個(gè)切面進(jìn)行可視化等值面顯示,最終得到的結(jié)果如圖9所示。通過結(jié)果比較可知,流量分布的范圍與扇形噴嘴的理論范圍基本具有一致性,有扇形的長(zhǎng)軸與短軸,符合預(yù)期。通過對(duì)圖形的初步觀察,發(fā)現(xiàn)其流量分布具有兩側(cè)流量增大的特性,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖9 噴霧流場(chǎng)形狀

為了改善噴嘴霧場(chǎng)的分布均勻性,需要研究扇形噴嘴的參數(shù)對(duì)霧場(chǎng)均勻性的影響,下面從切槽角、切深、接口形狀以及噴射壓力方面探究扇形噴嘴參數(shù)的影響。

4.2 切槽角

選擇30°、55°、80°的切槽角,分別計(jì)算流量在長(zhǎng)軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長(zhǎng)軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖10所示。

鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用彈塑性硬化的兩折線模型，如圖1所示。其中彈性模量Es=2.0×105 MPa、屈服強(qiáng)度fy、強(qiáng)化段應(yīng)變長(zhǎng)度Δεy及極限強(qiáng)度fu根據(jù)材性試驗(yàn)確定，泊松比為0.3。

圖10 不同切槽角下霧場(chǎng)流量等值面分布云圖與長(zhǎng)軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,切槽夾角對(duì)于流量的分布具有較大影響,切槽角度越小,扇形噴射的范圍越大,且由于孔徑大小一定,其總流量變化幅度不大,噴射范圍增大使得在大范圍下的單位面積流量減小,同時(shí)兩側(cè)的峰值均有一定程度減小,對(duì)于霧化效果有一個(gè)優(yōu)化的作用。但是通過改變切槽角度并沒有使流量分布中左右2個(gè)峰值完全消失。由于范圍變化的平均化效果,其峰值也會(huì)有一定的降低,80°切槽的噴嘴具有最大的峰值,其峰值甚至高于中心位置,若是范圍過大,其流量變化的峰谷寬度會(huì)進(jìn)一步增大,單位面積的流量降低,將導(dǎo)致噴灑的效果降低,同時(shí)可能使得兩側(cè)峰值與內(nèi)部的差距更加明顯。因此減小切槽角度能夠在一定程度上降低兩側(cè)峰值的影響,提高流量分布的均勻性,但還是需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)選擇合適的切槽角。

4.3 切深

基于原始模型,分別將切深增加、減少,變化幅度為0.3 mm,分別計(jì)算流量在長(zhǎng)軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長(zhǎng)軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖11所示。根據(jù)流量分布可知,切深的效果與切角的效果類似,都增加了噴射范圍,然而增加切深也提高了中間的整體流量,因此雖然中心位置的容積圖顯示其流量分布為兩側(cè)多、中心少,但是最終的累計(jì)流量具有均勻性,從而使得霧場(chǎng)流量的過渡更加平緩,相較于減小切角對(duì)于提高均勻性更具有正面意義。

圖11 不同切深下霧場(chǎng)流量等值面分布云圖與長(zhǎng)軸流量分布曲線

4.4 接口形狀

基于原始模型,改變接口形狀為徑向上的長(zhǎng)橢球與扁橢球,分別計(jì)算流量在長(zhǎng)軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長(zhǎng)軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同接口形狀下霧場(chǎng)流量等值面分布云圖與長(zhǎng)軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,接口形狀對(duì)于流量的分布具有很大的影響。結(jié)合流量分布圖與等值面圖,基于球狀接口,形狀發(fā)生拉長(zhǎng),在長(zhǎng)橢球的情形下會(huì)使兩側(cè)的峰值范圍進(jìn)一步增加,使不均勻度進(jìn)一步增強(qiáng),具體表現(xiàn)為在整體流量變化微小的情況下,中心部分的流量減少,這部分流量往兩側(cè)峰值部分靠攏,形成兩側(cè)流量更大,中心部分流量更小的流量分布。而對(duì)于球狀接口形狀發(fā)生壓縮,在扁橢球的情況下會(huì)使兩側(cè)的峰值流量減少,具體表現(xiàn)為兩側(cè)的峰值流量在一定程度上以自身為中心向外偏移,使得整體的流量更加具有均勻性。

4.5 噴射壓力

基于原始模型,改變噴射壓力,選擇0.15、0.3、0.5 MPa的噴射壓力,分別計(jì)算流量在長(zhǎng)軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長(zhǎng)軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同噴射壓力下霧場(chǎng)流量等值面分布云圖與長(zhǎng)軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,不同壓力條件對(duì)于霧場(chǎng)的散射角與流量分布影響不大,噴射壓力對(duì)于整體的流量大小具有一定影響,且是一種正相關(guān)的線性關(guān)系;同時(shí)可以看到在等值面的末尾,霧場(chǎng)形狀具有略微的偏折,壓力越大則這種偏折效果越小,這是由重力加速度引起的偏折,因此壓力越大,其流場(chǎng)的速度越大,受到重力加速度的影響越小。由此可知,霧場(chǎng)的噴射角度與噴射壓力之間的關(guān)系是與重力加速度共同影響產(chǎn)生的,其本身并不會(huì)對(duì)霧場(chǎng)的角度造成影響。

4.6 仿真小結(jié)

通過對(duì)仿真瞬態(tài)計(jì)算的慢速觀察,能夠發(fā)現(xiàn)最終噴射的流量分布狀態(tài)與液流最初從噴嘴口射出時(shí)的分布狀態(tài)具有很大的關(guān)聯(lián)。液流在噴射最開始時(shí)就已經(jīng)展現(xiàn)出三峰分布的趨勢(shì),如圖14所示,而噴射后的液膜擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)也只是放大了這種趨勢(shì)。

圖15 噴嘴口切口縱截面示意圖

基于這種分析可以對(duì)噴嘴參數(shù)對(duì)于噴霧流場(chǎng)的影響進(jìn)行總結(jié):

1) 改變噴射壓力對(duì)于噴射出口的液流分布沒有影響,因此對(duì)出射時(shí)的流量分布沒有影響,但是會(huì)影響出射時(shí)的速度。此時(shí)影響的是液膜的擴(kuò)散性,若其擴(kuò)散性能遠(yuǎn)小于重力或者張力,則噴霧的效果會(huì)大打折扣。

2) 改變槽切角會(huì)改變噴射時(shí)的液流對(duì)撞角度,從而影響其擴(kuò)散性能,同時(shí)也改變了出射的孔徑,因此減小槽切角,會(huì)增加擴(kuò)散性能,減小整體的流量,中心與兩側(cè)的峰值都因擴(kuò)散性能得到了緩解,從而在一定程度上增加了均勻度。但是奇異點(diǎn)并沒有從根本上消失,因此仍然具有兩側(cè)的雙峰。

3) 改變切深能夠改變邊緣奇異點(diǎn)的效果。與改變切角不同的是,增加切深會(huì)使得切口的整體變大,從而減小兩端的奇異點(diǎn)效果。

4) 改變接口形狀能夠改變液流在噴嘴內(nèi)部聚集的效果,從而改變出射后的流量分布。將接口形狀變?yōu)楸鈾E球形會(huì)增大中心的擴(kuò)散效果,同時(shí)減小切口兩端的奇異點(diǎn)效果,最終使得整體的均勻性有一定程度的提升。

5 結(jié)論

仿真研究結(jié)果表明,扇形噴嘴霧場(chǎng)流量趨勢(shì)具有3個(gè)峰值,噴霧流場(chǎng)的均勻性能差,不能滿足高精度的生產(chǎn)要求。噴嘴的兩側(cè)峰值由切口與內(nèi)徑之間的偏差產(chǎn)生的液流奇異點(diǎn)導(dǎo)致的。噴嘴槽切角、噴嘴切深以及噴嘴接口形狀都會(huì)對(duì)噴嘴噴霧流場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生影響。槽切角主要影響液流的擴(kuò)散性能,可通過增加擴(kuò)散性能來改善噴嘴噴霧流場(chǎng)的均勻性。切深能夠改善邊緣的奇異點(diǎn),從而改善噴霧流場(chǎng)的均勻性能。改變接口形狀能夠同時(shí)改善擴(kuò)散性能與奇異點(diǎn),從而改善噴嘴噴霧流場(chǎng)的的均勻性。針對(duì)扇形噴嘴流量均勻性的改善,需要綜合考慮槽切角、切深以及接口形狀,并且深入理解邊緣奇異點(diǎn)與噴嘴的擴(kuò)散性能對(duì)噴霧流場(chǎng)的均勻性的影響。研究結(jié)果表明基于扇形噴嘴實(shí)現(xiàn)均勻噴射具有可行性。