二流體霧化器霧化過程仿真及試驗(yàn)

張雨生 何箐 由曉明 梁立康 張?jiān)平?/p>

摘 要： 探究了二流體霧化器液膜破碎過程與液滴形成過程，對不同螺距和噴嘴出口形狀的二流體霧化器噴嘴進(jìn)行仿真研究。仿真分析了二流體霧化器的液膜形成與破碎過程，通過耦合VOF-DPM 模型，成功獲得了霧化過程中的液滴粒徑尺寸分布，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，二流體霧化器中螺距對氣相的速度影響較大，高速的氣相從出口流出時(shí)會形成較大湍流抬升導(dǎo)液管附近液相；不同的噴嘴結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致液相延伸的長度和一次破碎完成的時(shí)間不同，氣相的速度越高二次破碎能產(chǎn)生的液滴顆粒粒徑越?。粴庀嗨俣容^低的噴嘴二次破碎過程以液團(tuán)形式完成二次破碎，氣相速度較高的噴嘴則以液帶形式完成二次破碎。

關(guān)鍵詞：噴霧干燥；霧化器；二流體；VOF-DPM 模型；液滴

中圖分類號：S220文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0107-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.018

0 引言

霧化是將大塊的液體料液轉(zhuǎn)換為小液滴的過程，它代表了內(nèi)部和外部力量對液體表面張力的破壞，在沒有這種外力破壞的情況下，液體表面張力傾向于將液體拉成具有最小表面能量的球體形式，霧化在內(nèi)燃機(jī)、制藥給藥、噴霧干燥和滅火器等方面都有著普遍應(yīng)用[1]。霧化器是噴霧干燥過程的核心部件，霧化器通過不同的霧化方式，將料液霧化成粒徑為微米大小級別的液滴，液滴在干燥塔內(nèi)直接干燥形成粉體，霧化液滴的大小和速度等狀態(tài)將影響噴霧干燥形成粉體的質(zhì)量[2]。因此探究霧化過程中霧化液滴的破碎機(jī)理和狀態(tài)是提升霧化性能、制備可控粉體的前提。

在多種形式的霧化器中，二流體霧化器因能量消耗低、霧化效果好及霧化可控等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，研究人員對二流體霧化器霧化進(jìn)行了大量研究。

WATANAWANYOO P 等[3] 設(shè)計(jì)制作了一種內(nèi)混合式二流體霧化器，并對比了不同氣液比對霧化效果的影響。MLKVIK M 等[4] 使用4 種類型的內(nèi)混合二流體霧化器對不同黏性流體（黏度μ 分別為60、147 和308MPa·s）在不同氣液比（2.5%、5%、10% 和20%）條件下進(jìn)行低壓噴霧，通過高速攝像機(jī)比較霧化器內(nèi)部氣?液流動(dòng)、噴霧穩(wěn)定性、一次破碎和液滴大小來確定液滴的破碎方式，并評價(jià)二流體霧化器的工作情況。

結(jié)果表明，表面張力是霧化破碎的主要方式，OIL 霧化器在低氣液比能產(chǎn)生最小液滴，OIL 霧化器內(nèi)部流型在所有工況下都是環(huán)形，對于OIG 霧化器，隨氣液比的增加，從塞流變?yōu)閿嗳?。ZAREMBA M 等[5] 在相同工藝環(huán)境下對不同二流體霧化器進(jìn)行比較，通過多種方式觀察噴霧形成，使用一種簡化的分析方法評估了內(nèi)部流型，得到了近噴嘴區(qū)域流體的變化情況，結(jié)果表明，特定的混合過程可以產(chǎn)生環(huán)形內(nèi)部流，從而產(chǎn)生較低液滴尺寸為特征的穩(wěn)定噴霧。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，通過CFD 對霧化器的霧化過程進(jìn)行仿真模擬能更清楚地揭示霧化過程中所發(fā)生的現(xiàn)象，王雷等[6]基于大渦模擬對離心式噴嘴霧化過程進(jìn)行仿真，揭示了噴嘴內(nèi)部相界面的振蕩現(xiàn)象與外部液膜的破碎細(xì)節(jié)，并獲得液滴粒徑的空間分布特征。范海宏等[7] 通過使用VOF-DPM 模型對污泥霧化破碎進(jìn)行仿真模擬，確定了氣體速度、霧化角度和氣液比為影響污泥破碎的3 個(gè)重要工藝參數(shù)。

二流體霧化器霧化過程短，二流體混合接觸反應(yīng)劇烈；對二流體霧化器的研究現(xiàn)階段集中在不同工藝參數(shù)對霧化效果的影響上，而不同結(jié)構(gòu)對霧化效果的影響研究較少。本研究基于FLUENT 仿真平臺與兩種結(jié)構(gòu)不同的二流體霧化器，系統(tǒng)地開展二流體霧化器霧化過程的仿真與試驗(yàn)。

1.2 計(jì)算模型

霧化器模型如圖1a 所示，二流體霧化器主要由殼體、導(dǎo)液管和進(jìn)氣管3 部分構(gòu)成。將二流體霧化器模型簡化，完成噴嘴復(fù)雜流體域的創(chuàng)建，通過Meshing對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩種二流體霧化器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。其中，二流體霧化器中間為導(dǎo)液管，旁邊為進(jìn)氣管，導(dǎo)液管外壁為螺旋結(jié)構(gòu)，用以增加高壓氣體的剪切作用，螺旋結(jié)構(gòu)長度為L=60 mm，為減少計(jì)算量，將導(dǎo)液管長度降低至50 mm，進(jìn)氣管直徑為9 mm， 在噴嘴外側(cè)設(shè)置一個(gè)直徑D=150 mm、高度H=150 mm 的圓柱外側(cè)流體域。整個(gè)流體域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對噴嘴和噴嘴出口流體域處進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖1b 所示。初始網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)180萬個(gè)，經(jīng)檢查平均網(wǎng)格縱橫比為1.8，網(wǎng)格質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)平均為0.85，網(wǎng)格質(zhì)量較好，符合計(jì)算要求。

由于霧化過程產(chǎn)生的小塊液團(tuán)的尺寸較小，此時(shí)的網(wǎng)格尺寸可能難以完全追蹤，為充分捕捉液面的運(yùn)動(dòng)變化與破碎過程，減小誤差，使用基于曲率的自適應(yīng)網(wǎng)格，網(wǎng)格將根據(jù)液相變化自動(dòng)細(xì)化，使用網(wǎng)格細(xì)化間隔為2 個(gè)時(shí)間步長，4 級細(xì)化等級。

仿真過程使用的模型邊界條件基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，其中進(jìn)氣管為壓力入口，氣體壓力為0.6 MPa，導(dǎo)液管入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，設(shè)置為0.005 kg/s。由于二流體霧化器的霧化破碎和液滴形成過程較為復(fù)雜且迅速，霧化過程中產(chǎn)生各種形態(tài)的液膜、液帶、小液滴等，在尺寸上相差較大，單純使用流體體積法（VOF）需將模型的網(wǎng)格尺寸降低到微米級才能保證細(xì)小的液滴被追蹤，這種方式需要巨大的計(jì)算資源及時(shí)間，同時(shí)霧化形成的液滴顆粒信息難以被捕獲和統(tǒng)計(jì)。因此對二次霧化過程中產(chǎn)生的液滴群數(shù)值模擬，使用離散相（DPM）模型，根據(jù)流體體積法（VOF）模擬的一次破碎過程中產(chǎn)生的液滴群，通過等效直徑和非球形度的相關(guān)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，將液滴轉(zhuǎn)換為拉格朗日離散相顆粒，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)相關(guān)的粒徑等顆粒信息，實(shí)現(xiàn)霧化過程的數(shù)值模擬，為減小液體在導(dǎo)液管中行進(jìn)所消耗的時(shí)間，將導(dǎo)液管中液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量初始化為1，在計(jì)算過程中保證在計(jì)算時(shí)瞬態(tài)模擬每個(gè)時(shí)間步長迭代結(jié)束連續(xù)性方程的方差<1e-6，以此保證仿真的收斂性和精度。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 霧化過程中液相流動(dòng)特性分析

1 號霧化器液相變化如圖2 所示，在霧化開始階段靠近導(dǎo)液管壁面附近的液相向上延伸，出現(xiàn)倒角，液相從導(dǎo)液管中心位置向下進(jìn)入霧化區(qū)域與氣相混合，高速的氣體導(dǎo)致中間液相表面出現(xiàn)擾動(dòng)，在0.02 ms 時(shí)，液相表面擾動(dòng)更加劇烈，隨著時(shí)間的進(jìn)行液相表面出現(xiàn)細(xì)小的液柱，液面擾動(dòng)影響到導(dǎo)液管內(nèi)部形成部分空隙，細(xì)小液柱在高速氣相的作用下進(jìn)一步破碎形成部分液團(tuán)和小液滴顆粒。

2 號二流體霧化器液相與1 號相似，液相首先會沿導(dǎo)液管壁面向上延展形成倒角，如圖3 所示，倒角隨著時(shí)間的延長越來越大，與1 號二流體霧化器不同，2號霧化器在0.3 ms 之前液面擾動(dòng)較1 號二流體霧化器平穩(wěn)，液相靠近導(dǎo)液管壁一側(cè)進(jìn)入霧化區(qū)域，液面擾動(dòng)加劇出現(xiàn)細(xì)小液柱和液團(tuán)，隨后細(xì)小液柱和液團(tuán)破碎形成小液團(tuán)和液滴顆粒。

對比兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的二流體霧化器可以看出，兩種霧化器液相在霧化開始階段均沿著導(dǎo)液管內(nèi)壁上移形成了倒角。這是因?yàn)闅庀嗨俣容^快，首先從出口流出，由于文丘里效應(yīng)，氣相出口處氣壓較低，對周圍空氣形成抽吸作用，較大的空氣壓力將導(dǎo)液管壁附近的液相抬升繼而形成倒角。對比兩種霧化器，2 號二流體霧化器在導(dǎo)液管周圍形成的倒角相差較大，液相在導(dǎo)液管中明顯偏移導(dǎo)液管軸線，這可能與噴嘴出口形狀有較大關(guān)系，因?yàn)殄F形的噴嘴出口對氣相的影響更大，氣相經(jīng)過螺旋加速后從狹窄的錐形出口一側(cè)從出口流出，致使出口處的氣相速度不均勻，因而形成了液相偏轉(zhuǎn)。除此之外，1 號霧化器的霧化時(shí)間更短，霧化器在0.04 ms 的時(shí)間內(nèi)就基本完成了初次霧化，而2 號二流體霧化器在1 ms 左右才完成初次霧化。1 號霧化器顯然霧化的更加劇烈，在更短的時(shí)間內(nèi)完成了霧化，并且氣相速度在氣相出口周圍更均勻。經(jīng)過對兩種霧化器氣相出口處的速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，1 號二流體霧化器出口處的平均速度為693.65 m/s，2 號二流體霧化器出口處的平均速度為607.91 m/s，這是其霧化時(shí)間更短的主要原因。

2.2 霧化過程液相破碎分析

以液相體積分?jǐn)?shù)50% 為等值面，1 號二流體霧化器液相表面破碎隨時(shí)間變化情況如圖4 所示，液相在0.01 ms 的時(shí)候液面較為完整，液面出現(xiàn)較小的擾動(dòng)，液相不斷輸入并受重力作用與氣相接觸之后，液相擾動(dòng)劇烈并影響上方平穩(wěn)的液面，致使平穩(wěn)的液面開始出現(xiàn)擾動(dòng)，隨著擾動(dòng)越來越劇烈使液面產(chǎn)生小液柱，繼而液柱在氣動(dòng)力的作用下被穿透，形成大塊的液團(tuán)完成初次破碎，因?yàn)橐合嗥扑橹饕峭ㄟ^周向波動(dòng)產(chǎn)生的液柱和液帶導(dǎo)致的初次破碎，因此1 號霧化器初次破碎主要是因?yàn)橛扇瘥?泰勒（R-T）擾動(dòng)主導(dǎo)的初次破碎，但同時(shí)觀察到小液柱存在軸向的位置擾動(dòng)與變化，這可能也與開爾文?亥姆霍茲（K-H）擾動(dòng)有關(guān)，這與MANSOUR A 等[12] 在試驗(yàn)中觀察到的液膜不穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2 號霧化器液相表面破碎隨時(shí)間變化情況如圖5 所示，與1 號霧化器相似，霧化開始時(shí)液相表面較為穩(wěn)定，出現(xiàn)較小的擾動(dòng)波紋，隨著液相的不斷輸入，當(dāng)液相與氣相接觸之后液相沿周向舒展，形成液膜，液膜在氣動(dòng)力的作用下出現(xiàn)空隙，形成小液柱和液帶結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的延長，液相表面擾動(dòng)更為劇烈，此時(shí)由于周向擾動(dòng)產(chǎn)生明顯的周向皺褶液面，如圖5 d 所示。相較于1 號霧化器，小的螺距使氣相在相同壓力入口的條件下氣相出口速度低。較低的氣相速度無法使液相在源源不斷輸送條件下破碎，因此導(dǎo)液管軸線位置形成較長的大面積液柱。大液柱隨著氣相的進(jìn)一步破壞，液柱的頂端逐漸變細(xì)并破碎形成液團(tuán)和液塊，完成一次破碎。

2.3 霧化過程二次破碎分析

液相經(jīng)過一次破碎形成大塊液團(tuán)后，液團(tuán)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)相互碰撞或在氣相和形成的高速湍流的高速剪切作用下進(jìn)一步發(fā)生二次破碎形成小液滴。因此在一次破碎的基礎(chǔ)上，將最大等體積球徑設(shè)置為50 μm，當(dāng)流體體積法（VOF）中液團(tuán)的直徑<50 μm 時(shí)，小粒徑的液滴將轉(zhuǎn)換為拉格朗日顆粒即DPM 離散相，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)液滴顆粒粒徑等相關(guān)信息，本文中半徑標(biāo)準(zhǔn)差與半徑?表面正交性兩種評估液團(tuán)球形度的標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為0.5。兩種二流體霧化器中液滴粒徑分布如圖6 所示，可以看出，1 號霧化器中液滴的二次破碎主要發(fā)生在液膜的周圍表面，由較大的液團(tuán)破碎轉(zhuǎn)換為細(xì)小液滴如圖6a 中Ⅰ所示，2 號霧化器中二次破碎主要發(fā)生在液相之下，以液帶破碎為主如圖6b 中Ⅱ所示。統(tǒng)計(jì)兩種霧化器在霧化時(shí)間0.035 ms 以內(nèi)將液滴轉(zhuǎn)換為拉格朗日顆粒的粒徑與數(shù)目，結(jié)果如圖7 所示，其中2 號二流體霧化器中追蹤到的顆粒數(shù)目比1 號二流體霧化器多32 顆。

由圖7 可知，1 號霧化器中粒徑較小的顆粒數(shù)目明顯多于2 號霧化器，說明不同的霧化器結(jié)構(gòu)對霧化效果有較明顯的影響，較大的螺距將影響氣相的出口速度，不同的氣相出口速度又進(jìn)一步導(dǎo)致了不同的霧化效果。

2.4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

制作兩種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，使用500 nm～1 μm 粒度的氧化鋯粉體原料，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量為1.6% 的熱固性黏結(jié)劑，其中固形物含量為40%～60%，漿料研磨3.5 h，進(jìn)行噴霧干燥試驗(yàn)，并對粉體進(jìn)行性能表征，其中粉體的粒度分布采用激光粒度分析儀（Topsizer，珠海歐美克儀器有限公司）測定，粉體的表面形貌及截面形貌特征通過掃描電鏡（Phenom Pro X，美國FEI）進(jìn)行觀察分析。其中兩組霧化器制得的粉體粒度如圖8 所示，兩種粉體粒徑分布在1～25 μm，粉體的中值粒徑均保持在10 μm 左右，1 號霧化器稍小于2 號霧化器，最終生成的粉體粒徑與仿真過程獲得的液滴粒徑變化趨勢基本一致。其中兩種粉體的微觀形貌如圖9 所示，從表面形貌可以看出，1 號霧化器制備的粉體多呈凹狀或碗型，2 號霧化器制備的粉體大多保持完整的球形，這是由液滴速度不同導(dǎo)致的，這從側(cè)面印證了1 號二流體霧化器較大的螺距能使氣相具有較快的速度，繼而使霧化形成的液滴速度較快，速度較快的液滴迎風(fēng)面和背風(fēng)面的干燥速度不同，液滴中的固相會向干燥速度較快的迎風(fēng)面移動(dòng)，最終形成凹形或碗型的粉體。從粉體的截面形貌來看，粉體均較為疏松，2 號霧化器制備的粉體球形度保持較好。

3 結(jié)束語

對二流體霧化器霧化過程進(jìn)行仿真模擬，深入研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化效果的不同影響，并通過兩種結(jié)構(gòu)的霧化器進(jìn)行噴霧干燥試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

（1）霧化過程中由于氣相的速度較快，會在出口處形成較強(qiáng)湍流，壓縮周圍空氣將液面抬升，液相會沿導(dǎo)液管壁形成倒角，螺距越大的霧化器氣相速度越快，霧化程度越劇烈。

（2）不同的噴嘴結(jié)構(gòu)會影響氣相在出口處的速度均勻性，平面型出口氣相出口處的速度比錐形出口處的速度更均勻。除此之外，兩種不同結(jié)構(gòu)的二流體霧化器一次破碎主要由瑞麗?泰勒不穩(wěn)定性擾動(dòng)導(dǎo)致，也與開爾文?亥姆霍茲擾動(dòng)部分相關(guān)。

（3）通過耦合DPM 顆粒，證明氣相速度快的二流體霧化器以液團(tuán)形式發(fā)生二次破碎，氣相速度較低的二流體霧化器以液帶形式發(fā)生二次破碎，對二次破碎產(chǎn)生的液滴粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到液滴二次破碎獲得的液滴粒徑范圍，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，吻合度較高。

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