壓力旋流噴嘴內流場特性模擬研究

范 華，楊 剛，李 冰

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100166)

0 引 言

壓力旋流噴嘴的工作原理是由切線入口進入的液體在旋流室內大幅度的旋轉流動[1]，并通過出口旋轉噴出，噴出的液體與空氣間發生劇烈的相互作用產生霧化錐角。其以簡單的結構、良好的霧化性能、不易堵塞、動力消耗低及低成本等特點被廣泛用在石油化工、航空、淡水凈化等行業。近年來，壓力旋流噴嘴市場及應用的領域越來越廣闊，研究壓力旋流噴嘴流動機理及其霧化特征非常重要。

國內外對噴嘴的研究主要是通過試驗獲取噴嘴霧化特性，用于指導工程實踐，但成本較高，耗時長，且噴嘴霧化外場涉及到液膜的撕裂、破碎等問題，理論計算難于實現[2]。由于數值模擬能夠顯示流動的具體過程，近年來采用數值模擬研究噴嘴逐漸成為噴嘴研究的新途徑，但噴嘴內外部為氣液兩相流動，流場非常復雜，相關數值模擬文獻報道比較少。王國輝等[3]采用了VOF方法對含旋流導向器旋流噴嘴進行模擬，驗證了該模型的可行性，并改變噴嘴的結構和尺寸分別進行模擬，得出噴嘴結構尺寸只對速度場產生影響；SOM和DATTA[4]等采用了VOF方法對壓力旋流噴嘴進行了數值模擬，分析了噴嘴不同結構的幾何參數對噴嘴流場的影響。但這些研究基本集中在改變噴嘴出口結構方面。

本文將結合工程實際項目，應用數值模擬研究雙進口壓力旋流噴嘴內流場，剖析內流場流動機理，根據噴嘴出口處的流場特性得到其霧化特性，并通過霧化角測試試驗對模擬預測的霧化角進行對照驗證。

1 物理模型

筆者以揚子石化用戶PTA項目的雙進口壓力旋流噴嘴為研究對象，噴嘴設計條件為壓差0.15 MPa，介質密度1 025 kg/m3，流量2 000 kg/h(換算到同等條件下水流量為1 940 kg/h)，噴射角120°，噴射形式為空錐。

其設計的噴嘴結構如圖1所示。

圖1 壓力旋流噴嘴結構示意圖

液體介質由2個切向進口進入旋流室，經加速后再通過錐段旋流腔，最終從出口段噴出。

2 數值模擬

2.1 Gambit建模

筆者利用Gambit軟件按1∶1比例繪制噴嘴。為提高計算效率，本研究僅設置噴嘴進口與噴嘴本體交界處為正四面體非結構化網格，其余部分均為正六面體結構化網格，并對噴嘴出口段進行了網格局部加密。

網格總數為174 729，節點數為132 129，網格最小體積2.536 003×10-12m3，網格最大體積1.737 847×10-9m3。

三維網格劃分如圖2所示。

圖2 噴嘴三維網格劃分

2.2 計算模型

旋流噴嘴內流動為典型的氣液兩相流動，采用VOF模型對噴嘴內流場進行模擬[5]。VOF模型適合于任何兩種不可壓及不混合且相互間的滑移可以不計的流體。其根本思想是利用一個標量場函數來表示第二流體在計算網格中的分布，其值為第二流體在網格總數中所占的百分比數。

假設氣液兩相之間不存在化學反應和物理相變、相間和相內無熱交換，且流體流動按照不可壓處理，流體湍流模型選重整化群k-ε模型[6-7]，使用VOF模型中的Euler隱式格式處理流體體積分數F。

連續性方程為：

(1)

動量方程為：

(2)

體積分數方程為：

(3)

式中：ρ—密度；F—體積分數；i,j—張量符號。

其中：ρ=Fρ1+(1-F)ρ2；ui=Fui1+(1-F)ui2

噴嘴兩個切向進液口為進口邊界條件，都設為壓力入口，出口邊界條件設置為壓力出口，出口回流比設置為1，即回流全部為空氣，使用標準壁面。

2.3 方程離散及求解

Fluent中控制體積法是將控制方程變換為可以用數值方法求解的代數方程，在每個控制體積內積分控制方程，進而產生基于控制體的每一個變量都守恒的離散方程。

設定收斂精度10-4，其使用的求解模型為：

(1)采用三維分離式穩態求解器；

(2)壓力-速度耦合方式采用SIMPLE；

(3)方程離散格式中，考慮到流場具有旋轉和高曲率的性質，壓力插值采用PRESTO[8]，體積分數用二階迎風格式，其他方程插值都用一階迎風格式；

(4)為了提高收斂速度，松弛因子均取0.2。

3 噴嘴內部流場分析

3.1 壓力場分布

噴嘴內旋流場軸向剖面壓力云圖如圖3所示。

圖3 軸向剖面壓力云圖

從圖3可以明顯看出：噴嘴出口處會形成負壓，導致外界空氣被壓入旋流腔內，形成空氣芯，而空氣芯對外流場霧化特性起決定性作用。此外，壓力沿半徑方向由壁面向中心處依次遞減，正是徑向的壓差提供了空氣芯旋轉所需要的離心力[9]，且在噴嘴壁面附近壓力衰減較慢，類似對數分布，而在中心軸附近下降迅速，呈二次曲線下降。

噴嘴軸向壁面處的總壓分布圖如圖4所示。

圖4 噴嘴壁面總壓分布圖

噴嘴的出口段、錐段、旋流室由圖4中兩條虛線區分。從圖4可以看出：阻力下降最大的為噴嘴錐形段，主要是因為液體壓頭轉化為動能，速度的增加加劇液體與壁面的摩擦而造成阻力損失；其次為噴嘴出口段，主要是因為流通面積的突然減小造成較大的局部阻力損失；再次為液體進口處，此處主要是因為幾何尺寸的突變而產生大的壓力損失。

不同反應時間制備樣品技術指標見表4。表4數據顯示，反應時間分布在60～300 min之間，制備樣品的鉬含量分布在42.23%～52.67%之間，氨不溶鉬分布在0.35%～1.68%之間，其他雜質含量隨著反應時間延長均有不同程度的降低。

3.2 速度場分布

噴嘴內流場的跡線圖如圖5所示。

圖5 噴嘴流場跡線圖

從圖5可以看出：其流動跡線近似為螺旋線，噴嘴內旋轉流動很明顯。每一流體質點速度矢量為一空間矢量，故按其3個分速度研究其性質，并在噴嘴旋流腔(如圖1所示)取6個截面進行對比分析。

噴嘴旋流腔各截面的切向速率分布圖如圖6所示。

圖6 旋流腔各截面切向速率

由圖6可以發現：在旋轉半徑方向，切向速率變化很顯著，沿半徑方向可以分為兩個區域。切向速率隨半徑的減小而逐漸增大的區域，旋轉射流理論稱為自由渦區；切向速率隨半徑的減小而逐漸減小的區域旋轉射流理論稱為強制渦區。從圖還可看出：渦核半徑隨截面接近噴口而逐漸減小，呈錐狀式分布，如圖中的虛線所示。

噴嘴不同截面的軸向速度分布圖如圖7所示。

圖7 旋流腔不同截面軸向速度

從圖7可以看出：在出口段，由于外界空氣對中心形成負壓區、密度較小的流體影響加劇，有部分回流出現，因此中心處軸向速度值迅速減小，并出現軸向速度正值；在錐段，受空氣芯影響，越靠近出口段，其壁面附近軸向平均速度絕對值越大，而中心處附近軸向平均速度值越小，且中心處速度值變化要明顯較邊緣處大。

圖8 旋流腔不同截面徑向速度

從圖8可看出：出口段徑向速度方向由中心指向邊壁，其最大值在出口截面處；錐段速度方向由邊壁指向中心，越靠近出口段，其壁面附近平均速度絕對值越大，而中心處附近平均速度絕對值越小。

4 霧化特性預測

4.1 出口液膜厚度

由上述分析可知，旋流噴嘴內部會產生空氣芯。噴嘴出口液膜厚度由噴嘴出口空氣芯決定，噴嘴外部霧化特征受空氣芯的形狀、大小的影響。

噴嘴出口(1截面)的密度云分布圖如圖9所示。

圖9 噴嘴出口密度云圖

各個截面的液相體積分數分布曲線(密度場)如圖10所示。

圖10 旋流腔不同截面液相體積分數

本研究將液相體積分數大于0.5的節點規定為液膜區域，其他區域規定為空氣芯區域。從圖(9,10)可以看出：噴嘴內液膜緊貼噴嘴內壁面，在中心產生空氣芯，且越接近噴嘴出口，空氣芯直徑越大，液膜越薄。并且，由圖可得出噴嘴出口液膜厚度為2.61 mm。

4.2 霧化錐角

霧化錐角的確定引用文獻[10-12]的方法，即通過噴嘴出口處液膜切向速度、軸向速度與徑向速度進行計算噴嘴霧化錐角，選取出口平面速度最大的節點作為霧化錐角計算點。

其霧化錐角為：

(6)

根據式(6)計算噴嘴霧化錐角為106°，噴嘴出廠前試驗測試霧化角為117°，相對誤差為9.4%。

5 結束語

針對試驗研究壓力旋流噴嘴成本較高、耗時長、理論計算難于實現的問題，本文采用了一種基于有限容積VOF方法對壓力旋流噴嘴內部流動機理及霧化特性進行了Fluent數字模擬研究。研究結果表明：

(1)壓力旋流噴嘴工作時，液體在旋流室內沿壁面做高速旋轉運動，噴嘴出口處會形成負壓，導致噴嘴中心會產生空氣芯，空氣芯貫穿整個噴嘴，且越接近噴嘴出口，其空氣芯直徑越大，液膜越薄；

(2)壓力旋流噴嘴內流動分為自由渦和強制渦兩個區域，渦核半徑隨截面靠近噴口而不斷減小，呈錐狀分布；

(3)通過分析壓力旋流噴嘴出口處空氣芯直徑和出口處速度，得到了噴嘴出口液膜厚度和噴嘴霧化角，并與試驗對比驗證，得出噴嘴霧化錐角相對誤差小于10%，說明數值模擬值與試驗值基本一致，數值模擬方法可用于噴嘴設計研究。