氣相壓力對雙介質(zhì)噴嘴霧化效果的影響

吳啟東，趙迪飛，解靜，魏祥，吳正人

（1. 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北保定 071003；2. 華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北保定 071003）

0 引言

霧化噴嘴廣泛應(yīng)用于煙草、航空和發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域[1-2]。噴嘴霧化是指當(dāng)液體在高壓的作用下, 通過很高的速度噴射出噴嘴進(jìn)入到靜止或低速氣流中，得到霧化的效果。其中主要包括這3個(gè)階段：液體流動(dòng)、液柱或液膜的分裂和液滴的破碎[3]。

吳正人等[4]基于歐拉-拉格朗日模型，采用Fluent軟件模擬分析了恒定熱流密度時(shí)不同噴霧壓力對壓力旋流噴嘴霧化冷卻的影響。梁雪萍等[5]研究了水平方向噴射、端面方向注氣噴射的新型氣泡流體霧化問題，分析了頭部注氣孔尺寸和數(shù)目對氣泡霧化及流場性能的影響。陳斌等[6]分別對單相和兩相噴嘴的霧化壓力特性進(jìn)行了分析，對比分析了平均開口直徑長度隨液相霧化壓力的變化規(guī)律。侯燕等[7]建立了多流體噴嘴三維流量CFD流動(dòng)模型，對液體噴霧場內(nèi)的氣流場與出口溫度場進(jìn)行了模擬。趙豐等[8]通過搭建載料霧化試驗(yàn)平臺(tái),分析了氣體壓力、料液流量等對霧化的錐角影響。吳進(jìn)軍等[9]為了揭示壓力對直射式噴嘴霧化影響的霧化機(jī)理,針對D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式噴嘴采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。主要獲得以下結(jié)論:壓力是影響直射式噴嘴霧化的重要因素。壓力越大,燃油液滴粒徑SMD越小、噴霧錐角越大。直射式噴嘴的壓力增大,霧化效果增強(qiáng)趨勢逐漸降低;壓力增大對一次霧化影響較大,對二次霧化影響較小。李子陽等[10]基于CLSVOF(Couple Level-Set and Volume-Of-Fliud)方法對直流互擊式的霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并詳細(xì)研究了孔徑比對霧化特征的影響。

本研究針對霧化質(zhì)量進(jìn)行分析，得出影響霧化效果的因素。然后根據(jù)理論研究，建立相關(guān)的噴嘴霧化物理模型，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對霧化過程通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣相壓力對霧化效果的影響。

1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

1.1 噴嘴模型

煙廠料液霧化所用雙介質(zhì)噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過調(diào)節(jié)芯軸可以改變霧化細(xì)度及霧化錐角。

圖1 雙介質(zhì)霧化噴嘴模型

該雙介質(zhì)噴嘴，氣相為水蒸氣，液相為料液。水蒸氣和液體分別從兩個(gè)入口進(jìn)入，經(jīng)過漸縮流道在出口處速度達(dá)到最大，高速氣流與低速液流于出口處相互作用，將液體霧化破碎成液滴。

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際的噴嘴結(jié)構(gòu)，在不影響模擬結(jié)果的情況下，對霧化模型進(jìn)行一定程度的簡化，只保留通流部分，即噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其霧化模型如圖2所示，并通過其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證霧化區(qū)域?qū)F化效果不產(chǎn)生影響，設(shè)定流場區(qū)域?yàn)槿S滾筒（如圖3），對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為734萬。

圖2 噴嘴網(wǎng)格模型圖

圖3 噴嘴霧化模擬區(qū)域

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

首先通過0.21～0.50 mm的網(wǎng)格尺寸對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格化分，選取網(wǎng)格數(shù)目為280萬、345萬、501萬、734萬、1000萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在734萬之后噴嘴出口蒸汽速度未發(fā)生明顯變化。而且在進(jìn)行模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)過高時(shí)模擬所得數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)失真的情況，計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大增加。

對于數(shù)據(jù)失真的情況，分析其原因主要為網(wǎng)格尺寸過小，網(wǎng)格體積小于液滴體積，導(dǎo)致液滴在網(wǎng)格計(jì)算中不連續(xù)，從而造成誤差。考慮到計(jì)算的時(shí)間成本與數(shù)據(jù)精度，采用網(wǎng)格數(shù)為734萬的模型。 此條件下的網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

將數(shù)值模型導(dǎo)入Fluent軟件，根據(jù)模擬工況采用三維分離隱式求解器，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和vof汽液兩相流模型。其中液相設(shè)置成煙草香料，氣相設(shè)置為蒸汽，考慮到筒壁黏附效應(yīng)，液體和蒸汽之間的表面張力系數(shù)設(shè)為0.07。蒸汽為壓力入口，料液為速度入口、壓力出口。

為探究不同氣相壓力對霧化效果的影響，將液相入口速度設(shè)置為20 m/s不變，分別探討噴嘴出口壓力為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)的噴嘴霧化效果。根據(jù)速度云圖和計(jì)算域的體積分?jǐn)?shù)云圖來分析噴嘴霧化壓力對霧化效果的影響。

圖4從上到下依次為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)的半剖面和出口面的速度分布圖。

圖4 不同氣相壓力下速度云圖

由圖4可以看出，隨著氣相壓力的增大，噴嘴出口速度增大，0.3 MPa下噴嘴出口處局部最大速度接近700 m/s，而在0.1 MPa下噴嘴出口處局部最大速度只有400 m/s。除此之外，還可以觀察到：隨著噴嘴出口壓力的增大，霧化噴射區(qū)域維持噴射形狀的穩(wěn)定性增加，一定范圍內(nèi)有利于促進(jìn)物化的均勻性。

圖5從上到下依次為0.1、0.2、0.3 MPa時(shí)不同氣相壓力下的計(jì)算域體積分?jǐn)?shù)圖。由計(jì)算域體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果可知，隨著氣體入口壓力的增大，霧化范圍增大，錐形擴(kuò)散效果更明顯，但因噴射出的液體流束內(nèi)部無法充分接觸到高速氣流，導(dǎo)致內(nèi)部霧化不夠均勻。

圖5 不同氣相壓力下的計(jì)算域體積分?jǐn)?shù)圖

通過分析可知，在相同的液相速度下，兩相介質(zhì)從噴嘴出口噴射出去，氣體分子與液體分子相互碰撞產(chǎn)生擾動(dòng)，期間進(jìn)行了能量交換與動(dòng)量交換，氣相壓力越大，動(dòng)量交換越明顯，在氣體的作用下，液體噴射的速度和距離都明顯提高。其中，液體流束邊緣處與氣體作用最劇烈，作用效果最明顯。在相同液相流速下，氣相壓力越大（在一定范圍內(nèi)），液體的擴(kuò)散效果越好，霧化效果越明顯。

此外，隨著噴嘴壓力的增大，蒸汽流速增大，使得氣液速度比過大，由于氣體流速過快，在出口處產(chǎn)生高速氣流和較大的壓力，使得液體無法正常流出噴嘴，在出口處打旋和回流，無法形成正常的噴嘴霧化效果，從而影響霧化效果，此時(shí)的流場矢量圖如圖6所示。

圖6 氣液速度比過大時(shí)流場分布

3 結(jié)論

雙介質(zhì)噴嘴的介質(zhì)參數(shù)是影響霧化質(zhì)量的重要因素，本文利用Fluent模擬了不同氣相壓力對霧化效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外混式噴嘴內(nèi)通道噴射出的流體在外混合高壓空氣的作用下，邊緣破碎增多，霧化范圍增大，霧化效果更加明顯。在液相流量不變的情況下，隨著氣相壓力的增加，噴嘴出口壓差增大，射程增加，霧化范圍擴(kuò)大，效果更好；當(dāng)蒸汽的壓力過大，噴嘴出口處液體速度與氣體速度比較高，霧化液體會(huì)在出口處打旋，形成回流，難以噴射出去，嚴(yán)重影響噴霧的形成，從而惡化霧化效果。