基于Fluent的霧化器霧滴粒徑的研究

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(青島科技大學機電工程學院，山東 青島 266061)

0 引言

我國的先進制造業發展迅速，霧化器的應用領域日趨廣泛[1-4]。霧滴粒徑作為影響霧化發生器噴嘴霧化性能的重要因素，所以設計性能更優的噴嘴顯得尤為重要[5-6]。在現階段，對于霧化發生器，在提高其霧化效果方面仍然存在許多技術瓶頸，此次試驗以提高霧化效果和效率為主要目的，優化霧化發生器中噴嘴結構，這樣不但可以提高霧化的效果，而且還有助于減低對環境的污染[7-8]。

1 霧化發生器的結構及工作原理

本次霧化發生器的結構示意如圖1所示。本次實驗的霧化發生器采用了兩相流的方式，該方式的裝置方便拆裝并且能夠做到氣液聯動。因為在一般

圖1 霧化裝置整體結構示意

的工作過程中，通常會出現許多不好的現象，如在正常情況下，由于霧化裝置會受到液相工質湍流的反向沖擊，當氣相工質輸入完成后，會發生液相工質的輸入無法正常關閉的現象，從而導致泄漏。

2 霧化發生器的仿真分析

2.1 數學建模

霧化器尺寸的選擇，由實驗所采用的測量方法、實驗所記錄的數據以及霧化過程的特點決定。

索太爾平均直徑(SMD)：把所有的液滴近似地看成具有相同表面積和體積的圓球，所求的圓球直徑即為索太爾平均直徑，通常用于評價噴嘴噴霧形成的液滴的統計平均直徑[9]。索太爾平均直徑的計算公式為

(1)

D為液滴直徑；Dmax為液滴最大直徑；dN為液滴增量。

因為霧化過程中形成的液滴為球形，因此有

(2)

R-R分布函數是一種概率分布函數，表達式為

(3)

X為特征尺寸；K為液滴直徑分布參數；Q為小于液滴直徑的液滴累計質量百分數。

在液滴粒徑分布服從R-R分布的情況下，由式(1)～式(3)得

(4)

Γ為伽馬函數。

2.2 網格劃分

網格的劃分需要對流體進行離散化，連續分割幾何模型的計算域，將其計算域分為形狀不規則的更小區域。噴嘴模型的網格劃分如圖2所示。

圖2 噴嘴模型網格劃分

2.3 仿真結果

本次模型的模擬仿真采用Fluent。在實際實驗中，霧化發生器噴嘴液相工質的輸入壓力與模擬仿真中的壓力輸入相差不大，為了簡化分析的流程，可忽略不計。

2.3.1 軸向中心截面距

軸向中心截面距為5 cm和60 cm時，所形成的霧化仿真結果分別如圖3和圖4所示。相比較而言，液相通道直徑為5 cm時，氣相通道出口處的渦流更加密集，表明隨著軸向中心截面距的減小，液膜受氣相工質的撞擊增大，這樣不但改善了霧化效果，而且還有利于工作效率的提高。

圖3 軸向中心截面距為5 cm時噴嘴霧化后速度云圖

圖4 軸向中心截面距為60 cm時噴嘴霧化后速度云圖

2.3.2 氣液比

氣液比為0.4和0.8時，所形成的仿真結果分別如圖5和圖6所示。通過對比可表明，在氣液比逐漸增大的過程中，噴嘴出口處渦流就會越集中，表明氣液比的增大提高了霧化效果。

圖5 氣液比為0.4時噴嘴霧化后速度云圖

圖6 氣液比為0.8時噴嘴霧化后速度云圖

2.3.3 液相壓力

液相壓力在0.1 MPa和0.6 MPa時，所形成的仿真結果分別如圖7和圖8所示。通過對比可知，當液相工質經過噴嘴形成的液滴時，在同一位置所形成的渦流，隨著液相輸入壓力的增加，會逐漸變明顯。

圖7 液相壓力p=0.1 MPa時噴嘴霧化后速度云圖

圖8 液相壓力p=0.6 MPa時噴嘴霧化后速度云圖

2.3.4 氣相壓力

氣相壓力在0.1 MPa和0.5 MPa時，仿真結果分別如圖9和圖10所示。通過對比可知，在噴嘴出口處所形成的速度云圖，在氣相壓力逐漸增大的過程中流場分布區域會相應增大，這表明在軸向位置，距離越大，氣相通道噴出的氣相工質的相對速度變小。

圖9 氣相壓力輸入p=0.1 MPa時噴嘴霧化后速度云圖

圖10 氣相壓力輸入p=0.5 MPa時噴嘴霧化后速度云圖

3 實驗驗證

3.1 實驗條件及方法

本次實驗采用PDPA檢測技術[10],在實驗環境穩定的條件下，將空氣壓縮機壓縮所得到的空氣用于此次霧化實驗的氣相工質，氣相壓力控制在0.1～1 MPa之間。將穩壓供水系統提供的清水作為液相工質，液相壓力控制在0.1～1 MPa之間，其表面張力穩定在0.011 7 N/m。

3.2 實驗結果及分析

3.2.1 軸向中心截面距對液滴粒徑的影響

如圖11所示，在軸向中心截面距逐漸增大的過程中，4種不同液相通道直徑的液滴粒徑的變化趨勢相似，均為開口向上的拋物曲線，且對稱中心線為霧化中心線。由圖11可知，在軸向中心截面距逐漸增大的過程中，液滴粒徑呈現變大趨勢，且液相通道直徑尺寸大的，其液滴粒徑也就越大。通過分析可知，在霧化發生器壺體中心距離增加的過程中，由于霧化形成的液滴速度極快，液滴之間的運動會不斷變化，不僅發生碰撞，還會受重力的影響而下降。但是在下降過程中，距離相近的液滴間會發生融合，在融合的過程中，兩邊的液滴粒徑產生變動。

圖11 不同軸向中心截面距對液滴粒徑變化曲線

3.2.2 氣液比對液滴粒徑的影響

如圖12所示，在氣液比增大的過程中，4種不同液相通道直徑的霧化發生器在噴嘴處霧化所形成的液滴粒徑都呈現減小趨勢。通過分析可知，經過氣相通道噴出的用于二次霧化的氣相工質動能隨著氣液比的增大而不斷增加，這也增大了對霧化液滴和初次霧化形成的霧化膜的撞擊力度。保持環境壓力不變的前提下，在氣體工質流量的增加的過程中，液滴粒徑會減小。

圖12 不同氣液比下形成的液滴粒徑變化曲線

3.2.3 液相壓力對液滴粒徑的影響

如圖13所示，在液相壓力逐漸變大的過程中，4種不同液相通道直徑的霧化發生器在噴嘴處霧化所形成的液滴粒徑的變化趨勢基本相似，但是變化幅度卻存在較大差異。在液相工質輸入壓力為0.6 MPa之前，液滴粒徑的變化相對明顯；在液相工質輸入壓力為0.6 MPa之后，液滴粒徑的變化越來越小。通過分析可知，在距離霧化發生器噴霧形成的“空氣錐”的最遠處所形成的液滴速度要低于噴嘴處，液滴之間的撞擊力度遠小于噴嘴處，碰撞會使液滴之間發生聚并，從而表面張力也會發生改變。

圖13 不同液相壓力下形成的液滴粒徑變化曲線

3.2.4 氣相壓力對液滴粒徑的影響

如圖14所示，在氣相壓力不斷增大的過程中，4種不同液相通道直徑的霧化發生器所形成的液滴粒徑的變化趨勢相似。在氣相壓力不斷增加的過程中，液滴粒徑會沿中心軸線隨著氣相壓力的增大逐漸增大。通過分析可知，在氣相工質輸入壓力逐漸增加的過程中，氣體分子參與二次霧化的動能也會逐漸增大，會對初次霧化所形成的微小顆粒的沖擊加強，因此在流量大小變化不明顯的狀態下，噴霧的幅寬也會相應的增加。

圖14 不同氣相壓力下形成的液滴粒徑變化曲線

4 結束語

以不同尺寸的液相通道為實驗對象，通過改變軸向中心截面距、氣液比、液相壓力和氣相壓力，對霧化后的液滴粒徑進行了研究。實驗結果表明：在氣液比、液相壓力和氣相壓力的逐漸增加的過程中，液滴粒徑呈現變小的趨向；在軸向中心截面距逐漸增加的過程中，液滴粒徑呈現增大趨向。這些規律為以后新型霧化器的研究與設計提供了可靠的數據及規律。