離心式噴嘴霧化效果的優化研究

林逸龍

（杭州電子科技大學機械工程學院，浙江 杭州310018）

離心式噴嘴因為結構簡單,制造方便,霧化效果較好，在現代工農業生產以及人民的日常生活中使用較多，例如農業灌溉[1]，環境清洗[2]，降溫除塵[3]等等。隨著離心式噴嘴使用不斷增多，科學家們也試圖探討如何進一步提高離心式噴嘴的霧化性能。常見的增強霧化效果的方法是加大進口壓力，但是這在達到一定壓力后效果并不明顯，而且耗能過多。目前可行的方法就是研究離心式噴嘴的內部結構,看看是否能在盡可能小的進口壓力下，實現霧化效果的最優化。

本文所研究的噴嘴為切向槽式離心噴嘴，結構比較簡單，省略了很多小部件，之前常見的旋流槽已經被去掉了，廠家研發人員重新在噴嘴旋流器上設計了2個沿中心對稱分布的切向槽。目前學術上對這種切向槽式噴嘴的研究并不多。本文挑選了出口孔徑和切向槽槽寬兩個幾何結構參數來研究離心式噴嘴氣液兩相全流場分布情況，探討在盡可能小的進口壓力下噴嘴的霧化性能能否得到較大提升。

1 實驗

本文所研究的離心式噴嘴幾何結構如圖1所示，噴嘴包含以下幾個結構：進口管壁、底塞(橡膠)、鐵絲彈簧、旋流器、出口帽。其中底塞和旋流器均安裝在鐵絲彈簧上，一旦高壓水射流從進口管壁底部進口進入時，水射流會擠壓底塞向出口處移動，水射流進而大量進入到噴嘴內部，旋流器在鐵絲彈簧和高壓水射流的共同壓力作用下只能和出口帽處緊密相擠壓接觸，水射流只能被迫從旋流器上的兩道切向槽進入旋流室(旋流器圓柱頂部與出口帽處緊密相擠壓接觸時所形成的錐形幾何空間),然后水射流再從出口處噴出。

圖1 噴嘴結構示意圖

旋流室頂部圓柱半徑為0.80 mm，在圓柱頂部沿著中心對稱設置2道切向槽，旋流室的錐形角度為110°，噴嘴出口長度為0.20 mm.本文將出口直徑設置為0.2mm，0.3mm，0.4mm 3種參數，旋流室切向槽全部設置在圓柱半徑的二分之一處，切向槽的傾角設置為20°，槽寬有0.21 mm，0.26 mm，0.31 mm 3種參數。一共設置了9種不同參數的噴嘴，然后對這些噴嘴全部編號，具體編號見表1.

表1 9種不同參數噴嘴型號

實驗設備如圖2所示,高壓霧化裝置主要由以下部分組成：超高壓壓力水泵、壓力指示計、流量指示計、壓力調節器、過濾器、電源開關等等。它能夠噴射出可以任意調節壓力和流量的穩定超高壓水射流。馬爾文儀器用來測量水滴霧化顆粒尺寸。測量時,將噴嘴固定在支架上,噴嘴垂直朝下，馬爾文儀器安放在噴嘴噴口垂直以下約1.2 m處。實驗開始后，高壓霧化裝置能夠將普通水管流轉換成超高壓水射流經過噴嘴霧化后射出，馬爾文儀器會根據其所發射的激光來精確測量水滴霧化顆粒尺寸，然后與馬爾文儀器數據相連接的計算機就能夠進行數據分析并輸出成文件格式。

圖2 實驗設備示意圖

在科學研究和工程運用中，人們多運用索特平均直徑D32來表示霧化顆粒尺寸大小,因此本文也決定采用索特平均直徑D32來表述霧化顆粒尺寸。索特平均直徑是指噴嘴霧化流場內所有霧化顆粒的體積和總表面積的數學比值[4]。本次實驗測量了從4 MPa～7 MPa這幾種工況下9種型號噴嘴的索特平均直徑D32mm和霧化錐角，結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 霧化顆粒尺寸壓力分布折線圖

圖4 霧化錐角壓力分布折線圖

從圖3～圖4中可以看到，隨著壓力增大，各個噴嘴的霧化顆粒粒徑總體上會逐漸變小；當壓力一定時，切向槽槽寬對于霧化顆粒粒徑大小的影響作用不明顯，出口孔徑增大，霧化顆粒粒徑增大。當壓力一定時，霧化錐角隨著出口孔徑的增大而增大，隨著槽寬的增加先增加而減小。當噴嘴的幾何參數一定時，壓力的增大對于霧化錐角而言意義不大。

在噴嘴的實際運用中，人們有關霧化效果的評價指標上主要是索特平均直徑（直徑盡量越小越好），其次是霧化錐角（錐角最好越大越好）。因此，根據以上2個參數來綜合判斷，2026型號噴嘴霧化性能最好（在4 MPa處其霧化顆粒尺寸較小，同時其霧化錐角在9種噴嘴中處于中等大小水平）。

2 數值模擬

為了方便進行SOLIDWORKS三維建模和POINTWISE網格劃分，本文只保留高壓水射流從外部流道經過切向槽流入旋流室然后從離心式噴嘴出口噴出的部分。如圖5所示，本文網格使用混合網格，網格數量74萬，求解器使用CFX，模型采用2021型號噴嘴進行說明，湍流模型是SST k-omega模型，求解格式設置為高階求解格式，最大迭代步數是8000步，收斂標準為1E-4，壁面設置為無滑移條件，主相設置為空氣（空氣溫度默認為25度），副相為水，進口條件設為Pressure inlet，壓力是6 MPa，出口是一個大氣壓（本文著重探討不同的切向槽槽寬下噴嘴內外流場分布情況）。

圖5 噴嘴模型示意圖

如圖6離心噴嘴氣液兩相圖可知，黑色表示水，深灰表示空氣。高壓水射流幾乎充滿整個旋流室及噴管，在噴管出口處形成了一個倒錐形的空氣芯（空氣芯內部的氣相體積分數幾乎是1）并逐漸開始霧化破碎，距離噴孔出口越遠，氣相體積分數越高，形成了非常明顯的氣液混合狀態。隨著切向槽槽寬的增大，霧化錐角有變大的趨勢，不過并不是原先假想的線性關系，而是先增大再變小，實驗數據和數值模擬結果有一定誤差，但是大致趨勢相同。

圖6 6MPa下不同切向槽槽寬噴嘴氣液兩相云圖

如圖7～圖9所示，對于霧化錐角變化趨勢影響因素的研究，本文選擇噴管出口截面上的軸向速度和切向速度來展開探討，而又因為噴霧形態是錐形空心環狀液膜，軸向速度和切向速度取噴管出口兩端液膜處的數值（取平均數），從上述圖片中可以得出如下結論：當切向槽槽寬增加時，噴嘴出口液膜處的軸向速度呈現出緩慢下降趨勢，而切向速度的變化值要大于軸向速度，隨著槽寬增加切向速度呈現出先增加后減小的趨勢；由于霧化錐角和噴嘴出口軸向速度成反比，和噴嘴出口切向速度成正比，這可以解釋霧化錐角隨著槽寬增加呈現出先增加后減小的變化趨勢。

圖7 噴嘴出口X=0處軸向速度示意圖

圖8 噴嘴出口X=0處切向速度示意圖

圖9 噴嘴出口液膜處速度變化示意圖

如圖10所示，水流流入旋流室后，在旋流室內部即進行高速離心旋轉運動（源于受旋流室壁面約束效應影響），然后從噴嘴出口以錐形環狀液膜的形態慢慢向外界擴散，經過與外界空氣作用后液膜厚度慢慢變薄，逐漸碎裂成無數細小液滴。速度流線分布圖形象清楚地揭示了高壓水射流經過旋流室霧化碎裂的物理過程，這與噴霧理論和實驗現象是一致的。同時從圖11也可以觀察到，錐形環狀液膜中心處空氣的體積分數為90%以上，進一步驗證說明了噴霧的形態是空心錐形環狀液膜。

圖10 噴嘴流場三維流線分布示意圖

圖11 噴嘴外部流場X=-0.0001m處氣液兩相云圖

從圖12和圖13也可以看出，壓力從旋流室壁面處到中心處急劇減小并在噴管處降為負值，而速度卻迅速變大（在噴管處達到最大），可以很清楚地在壓力分布云圖中看到噴管中心形成了一個橄欖形結構。同時錐形環狀液膜外緣處和噴嘴旋流室內部界面上分布著大大小小的渦形旋流，旋流室內部的渦形旋流較小，而在錐形環狀液膜外緣處的渦形旋流較大，這些渦形旋流會對氣液交界面處空氣和水的相互作用產生影響。另一方面，在噴管內部中心處，壓力迅速變小并變為極大的負值，水流速度急劇變大，噴嘴內外部產生了較大的壓力差值，外部空氣會因此被大量擠壓進噴嘴內部，在噴嘴錐形環狀液膜內部形成擠壓區域。擠壓區域的大小和噴霧錐角有一定關系。

圖12 噴嘴Z=0處截面壓力云圖

圖13 噴嘴Z=0處截面速度流線分布圖

雖然現今國內外流體力學仿真軟件并不能模擬離心式噴嘴所噴出水霧的具體顆粒尺寸大小以及分布情況細節，無法通過仿真軟件形象地展現霧化顆粒形成以及其變化分布的具體情況。但從上文所展示的氣液兩相云圖、壓力云圖、速度云圖等流場圖可以較為全面展示噴嘴內外流場的具體情況，如有機會一定要按照噴嘴流場全部尺寸劃分網格以提高數值模擬精度。

3 結束語

（1）在噴嘴的實際運用中，人們有關霧化效果的評價指標上主要是索特平均直徑，其次是霧化錐角，因此，根據以上兩個參數來綜合判斷，2026型號噴嘴霧化性能最好（在4 MPa處其霧化顆粒尺寸較小，同時其霧化錐角在九種噴嘴中處于中等大小水平）。

（2）水流流進旋流室后，在旋流室內部進行高速離心旋轉運動，然后從噴嘴出口以空心環狀液膜的形態慢慢向外部擴散，經過與外部空氣相互作用后液膜厚度慢慢變薄，并逐漸碎裂成無數小液滴。

（3）當切向槽槽寬增加時，噴嘴出口液膜處的軸向速度呈現出緩慢下降趨勢，而切向速度的變化值要大于軸向速度，隨著槽寬增加切向速度呈現出先增加后減小的趨勢；由于霧化錐角和噴嘴出口軸向速度成反比，和噴嘴出口切向速度成正比，這可以解釋霧化錐角隨著槽寬增加呈現出先增加后減小的變化趨勢。