自激振蕩霧化噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真＊

楊曉毅，鄧曉剛

（1.重慶科技學(xué)院資產(chǎn)處，重慶 401331；2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院，重慶 401331）

1 引言

在很多場合下需要水射流出流液滴呈霧狀，比如噴霧降塵、降溫、涂裝等工作。在這些工作中，霧化噴嘴是工作的核心元件，直接決定了出口液滴粒徑的大小、均勻程度和分布區(qū)域。目前，為了增強(qiáng)霧化效果，降低出口液滴霧化的粒徑，增大液滴分布區(qū)域，通常有以下2種途徑[1]：①提高水射流壓力、增大流量來增強(qiáng)霧化效果，但這種方式會導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，增加能耗；②分析噴嘴內(nèi)部流場，找到影響霧化效果的因素，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，從而提高射流霧化質(zhì)量。目前，已經(jīng)有許多新型霧化噴嘴投入工業(yè)化使用，比如旋轉(zhuǎn)射流噴嘴、扇形噴嘴、螺旋噴嘴和環(huán)孔霧化噴嘴等，但其霧化效果不理想，仍然存在一些問題，例如粒徑分布不穩(wěn)定，霧化范圍不夠?qū)挼?。對現(xiàn)有的霧化噴嘴進(jìn)行分析，優(yōu)化霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，對進(jìn)一步提高霧化效果有十分重要的意義。

自激振蕩脈沖射流[2]是一種新型高效的脈沖射流，不需任何外加激勵源，利用自激振蕩腔室的碰撞、反饋、激勵主射流的過程，將主射流調(diào)制為自激振蕩脈沖射流。受自激振蕩效應(yīng)的影響，氣核交替地膨脹和收縮，脈動負(fù)峰值可使瞬時(shí)壓力降低，氣核發(fā)育時(shí)間明顯縮短，促使自激振蕩腔室內(nèi)的空化現(xiàn)象顯著發(fā)生。通過合理設(shè)計(jì)諧振腔的壁面約束，能夠控制混合流體的不穩(wěn)定邊界層中渦量脈動的產(chǎn)生和發(fā)展，通過擾動反饋來引導(dǎo)空化的能量參與諧振，從而對射流的不穩(wěn)定邊界層進(jìn)行撕裂破壞，使出口液滴粒徑減小，并增大擴(kuò)散面積[3-4]。本文擬對自激振蕩霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在較低的噴射壓力下仍能提高射流的霧化效果，為自激振蕩霧化噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論支撐。

2 自激振蕩霧化噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算

2.1 自激振蕩脈沖噴嘴幾何模型

如圖1所示，自激振蕩噴嘴由自激腔體（諧振腔）、上噴嘴（諧振腔入口）、下噴嘴（諧振腔出口）和碰撞壁（諧振腔反饋面）組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括上噴嘴直徑（Di）、下噴嘴直徑（DO）、腔體長度（L）、腔體直徑（D）以及碰撞壁錐面角度（α）。由文獻(xiàn)[2]，選取激振效果較好的一組噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm（此時(shí)，D/DO＝5.88，DO/Di＝2.13，L/D＝0.6）作為研究對象，對此噴嘴的內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過研究其脈沖特性及增壓效果來分析其用作霧化噴嘴的可行性。

圖1 自激振蕩噴嘴幾何模型

2.2 自激振蕩噴嘴內(nèi)部仿真計(jì)算

低壓自激脈沖射流的內(nèi)部流場屬于非定常的復(fù)雜多相流，仿真計(jì)算中湍流模型、多相流模型的離散化過程中的誤差比較大，且內(nèi)部瞬態(tài)流場變化頻率比較大，使用壓力、速度傳感器等檢測難度很大，且無法驗(yàn)證實(shí)際流場測試和仿真計(jì)算的正確性。為了研究自激振蕩脈沖霧化噴嘴內(nèi)部流場，可以將自激振蕩腔室內(nèi)的多相流流場簡化發(fā)生激振前的臨界單相流狀態(tài)，分析其脈沖特性是否有能增強(qiáng)噴嘴出口壓力，有利于噴嘴的霧化。由于自激振蕩腔室屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，可將其處理為軸對稱模型，從而將三維流場簡化為二維流場計(jì)算。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，對邊界層進(jìn)行加密處理，所劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 自激振蕩噴嘴網(wǎng)格劃分

設(shè)定入口邊界條件為速度入口（Velocity-inlet），入口速度為50 m/s，垂直于進(jìn)口流場方向上的流體速度為零，入口壓強(qiáng)為絕對壓強(qiáng)1.5 Mpa。自激振蕩脈沖射流噴嘴的內(nèi)部流場必然會存在高強(qiáng)度的渦環(huán)、低雷諾數(shù)區(qū)和速度梯度較大的剪切層。標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型中包含了低雷諾數(shù)影響、可壓縮性影響和剪切流擴(kuò)散，適用于尾跡流動、混合層、射流以及受壁面限制的流動，所以，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型進(jìn)行計(jì)算。用FLUENT軟件對選定的噴嘴結(jié)構(gòu)Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，導(dǎo)入前面所劃分的網(wǎng)格文件，對噴嘴內(nèi)流場進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算，計(jì)算前設(shè)置湍流動能、壓力場和速度場的監(jiān)測動畫。通過對流場內(nèi)湍動能、壓力和速度變化過程的模擬來分析噴嘴內(nèi)自激振蕩脈沖的生成過程，進(jìn)而討論所選噴嘴的脈沖特性和增壓效果。圖3所示的模擬結(jié)果為從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程。

圖3 從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程

湍流動能是衡量湍流混合能力的重要參數(shù)，是考察湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)。圖3所示的湍動能變化過程就是自激振蕩腔室內(nèi)的湍流呈周期性的衍變過程。在下噴嘴段調(diào)整區(qū)內(nèi)，湍動能逐漸變小，表明調(diào)整區(qū)可以增強(qiáng)所形成的自激振蕩脈沖射流的穩(wěn)定性。

從仿真結(jié)果中還可看出，初始時(shí)刻噴嘴內(nèi)的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對擾動的選擇性放大，一段時(shí)間后，難以形成周期性增大和減小的渦環(huán)，說明該噴嘴難以形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發(fā)次生渦，增加能量耗散。因此，可以從腔室結(jié)構(gòu)出發(fā)，對腔體進(jìn)行優(yōu)化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

3 優(yōu)化后的自激振蕩腔室結(jié)構(gòu)及仿真

初始時(shí)刻噴嘴內(nèi)的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對擾動的選擇性放大，一段時(shí)間后，難以形成周期性增大和減小的渦環(huán)，說明該噴嘴難以形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發(fā)次生渦，增加能量耗散，所以，可以從腔室結(jié)構(gòu)出發(fā)，對腔體進(jìn)行優(yōu)化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

根據(jù)空化理論分析，當(dāng)腔體結(jié)構(gòu)合理時(shí)，腔內(nèi)僅存在一對渦環(huán)結(jié)構(gòu)，能形成有效頻率的情況下腔內(nèi)能量損失最小，可以產(chǎn)生最大的能量輸出，將這情況下的腔室內(nèi)壁曲線定為最佳內(nèi)壁形狀。進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化的目的，就是通過數(shù)值模擬方式探尋最佳腔體內(nèi)壁曲線，從而優(yōu)化腔室的結(jié)構(gòu)。

由文獻(xiàn)[5-7]可知，采用錐形上噴嘴時(shí)，可形成較為穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流，且增壓效果較好；采用雙圓弧上噴嘴時(shí)，增壓效果較好，但不能形成較穩(wěn)定的自激振蕩射流；采用三次曲線形上噴嘴時(shí)，增壓效果一般且形成的中心渦比較小，不利于脈沖的形成；優(yōu)化尖角部分的噴嘴周圍低速區(qū)會明顯減小，會減小能量損失。綜上所述，采用錐形上噴嘴時(shí)可明顯改善噴嘴的脈沖特性，這與陳林等的研究結(jié)論（當(dāng)壓力比較低時(shí)，上噴嘴為錐形流道的脈沖噴嘴特性比三次曲線和雙圓弧流道好）相似。為了得到霧化效果較好的自激振蕩脈沖噴嘴的結(jié)構(gòu)，綜合上述幾種優(yōu)勢特性，即在錐形上噴嘴的基礎(chǔ)上增加圓角，得到如圖4所示的優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖4 優(yōu)化后的自激振蕩噴嘴幾何模型

圖5優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08s湍流動能的變化過程

優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴能形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流，腔內(nèi)渦環(huán)能周期性的增大和減小，湍動能云圖中顯示出可以形成周期性變化的中心渦，但渦環(huán)的結(jié)構(gòu)比較小，對脈沖特性影響較大，壓力云圖顯示出有一定的增壓效果，能量耗散減小。優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程如圖5所示。

4 結(jié)論

對自激振蕩噴嘴的原理進(jìn)行了分析，并通過數(shù)值模擬的方式對自激振蕩脈沖霧化噴嘴的內(nèi)流場進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了其脈沖特性的特點(diǎn)與需要改進(jìn)之處。

從傳統(tǒng)的自激振蕩脈沖射流的流場分析中得出了對增壓和自激振蕩霧化效果不利的因素，綜合幾種結(jié)構(gòu)改善措施，得出了優(yōu)化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)。

從仿真計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的自激振蕩頻率更穩(wěn)定，增壓效果更好。

本文僅完成了自激振蕩腔室的內(nèi)壁曲線對出口霧化結(jié)果的影響計(jì)算，未考慮進(jìn)口壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)，以及自激振蕩腔室長徑比、上下噴嘴直徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，對自激振蕩脈沖霧化噴嘴出口的脈沖特性和增壓效果影響。

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