肖 華1，楊含笑1，陳向榮1，陳 梅1，吳啟東1，吳正人2

(1.河北白沙煙草有限責任公司保定卷煙廠，河北 保定 071003；2.華北電力大學動力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

雙介質霧化噴嘴因其良好的霧化性能，被廣泛地應用到煙草、化工等行業。雙介質霧化噴嘴主要是指通過大致平行的低速液流與其他高速氣流的相對運動，期間發生相互摩擦碰撞等過程，導致液體管束或液體薄膜進行霧化的一種裝置。實際應用中，多為兩相氣流霧化噴嘴噴射，也包括各種類型的氣相介質霧化噴嘴。雙介質霧化噴嘴可以通過物理過程將液體整體轉化為微小的液滴，增大比表面積，提高蒸發或反應速度[1-2]。

王松齡等[3]基于DPM模型，分析了液化氣滴霧化速度、直徑和流量霧化液體中氣滴的數量和流通量與霧化壓力之間的相互關系，發現當同一工作霧化壓力較高時，液化氣滴在一定計算域內平均連續停留時間短，速度越大；同一霧化壓力工作條件下，液化氣滴霧化速度主要還是集中于一定速度范圍之間。液滴管的直徑等長度隨液體壓力強度增大而逐漸減小，且直徑減小的增長趨勢逐漸緩慢變緩。劉聯勝等[4]利用新型激光出口散射粒度儀分別對3種不同出口霧化特性分別進行了霧化試驗結果研究和霧化理論結果分析，發現通過提高出口空氣液體注入時的壓力和增大氣液注入質量時的流量比、增大出口空氣液體注入截面積可以大大改善出口霧化使用效果，增大空氣出口截面積和增大液體注入流量則可能會大大降低出口霧化使用效果。盧平等[5]通過臨床試驗研究考察了2種雙孔式流體沖孔噴嘴的進口霧化質量特性，發現進口霧化液滴入口平均噴孔直徑速度隨進口氣液流量比的減小和增大，呈明顯下降和上升的趨勢，增大進口霧化液中氣滴在注入口噴孔截口的面積也更有利于改善進口霧化氣的質量。白鵬博等[6]選取馬爾文測霧儀并對內混式噴嘴在工況不一定的情況下噴嘴的霧化特性進行試驗研究，得到了內混式噴嘴的霧化特性存在關聯的是噴射壓力、氣液比。侯燕等[7]建立了多流體噴嘴三維流量CFD流動模型，對液體噴霧場內的氣流場與出口溫度場進行模擬，討論了噴嘴數目、進口壓力、入口流量及液體噴霧高度對液體霧化后液滴流動速度、液體噴滴出口直徑及流量分布、壁面及噴換熱傳動能力及均勻性的重要影響。吳進軍等[8]為了揭示壓力對直射式噴嘴霧化影響的霧化機理，針對D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式噴嘴采用實驗和數值模擬研究。主要結論如下：壓力是影響直射式噴嘴霧化的重要參數。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[9]基于CLSVOF(couple level-set and volume-of-Fluid)方法對直流互擊式的霧化過程進行數值模擬，并詳細研究了孔徑比對霧化特征的影響。鄒哲偉[10]在離心式噴嘴結構設計的基礎上，對該噴嘴流量的霧化性能進行了試驗研究，研究結果表明，該噴嘴的流量基本上與出口壓力的平方根成正比，且噴嘴的流量系數基本上不隨外界壓力的變化而變化，只與本身結構有關。試驗結果為理論分析提供了實踐依據。

本研究針對其特點進一步開展噴霧機理的研究。首先對霧化形成的過程進行分析，得出影響霧化效果的因素。然后根據理論研究，建立相關的噴嘴霧化物理模型，并根據生產實際對霧化過程進行數值模擬，研究了氣相流速對霧化效果的影響。

1 噴嘴模型及網格劃分

1.1 霧化噴嘴模型

本文根據煙廠實際的噴嘴霧化模型進行一定的簡化，其主要針對噴嘴內部結構，通過inventor軟件等比例對雙介質霧化噴嘴進行三維物理建模，并通過icem軟件對其進行網格劃分。其霧化模型如圖1。

圖1 噴嘴結構圖和噴嘴內部網格模型圖

圖2 噴嘴霧化模擬區域

除此之外本文根據建立煙廠實際的霧化場所建立霧化區域模型如圖2所示，其中模型為三維滾筒，通過滾筒模型我們可以觀察到由噴嘴模型噴射進來的流體參數，以達到對霧化效果的監測。

1.2 網格無關性驗證

首先通過0.21～0.5 mm的網格尺寸對計算域進行網格化分，選取網格數目為280萬、345萬、501萬、734萬、1000萬的模型進行網格無關性驗證，發現當網格數在734萬之后噴嘴出口蒸汽速度不發生明顯變化。而且在進行模擬中發現當網格數過高時模擬所得數據會出現失真的情況，計算時間也會大大增加。

對于數據失真的情況，分析其原因主要為網格尺寸過小，網格體積小于液滴體積，導致液滴在網格計算中不連續，從而造成誤差。考慮到計算的時間成本與數據精度，采用網格數為734萬的模型，網格尺寸為0.25 mm。

1.3 模擬條件的設置

本文將噴嘴模型導入Fluent軟件，并根據模擬工況采用SIMPLE求解器進行壓力-速度耦合式求解，選擇標準k-ε模型和vof氣液兩相流模型，并采用隱式徹力方式。其中液相設置成煙草香料，氣相設置為蒸汽，考慮到筒壁粘附效應，液體和蒸汽之間的表面張力系數設為0.07。蒸汽入口條件設置為pressure-inlet，料液的入口邊界條件為velocity-inlet，然后選用pressure-outlet作為噴嘴出口邊界條件，靜壓設置為0.1 MPa，并把出口空間設置為壓力遠場。考慮實際生產運行情況及多次模擬運行效果和生產數據，擬定標準工況，考慮料液溫度55 ℃，蒸汽溫度60 ℃，考慮到壁厚對傳熱效果的影響削弱及兩相介質溫度接近，為簡化運算，取兩相溫度均為58 ℃。

2 數值模擬結果及分析

2.1 有無氣相介質對霧化效果的影響

為探究氣相流速對外混式雙介質噴嘴霧化效果的影響，首先通過固定液相流速為10 m/s，氣相流速分別設置為0 m/s和80 m/s，來驗證思路的可行性，其模擬結果如圖3所示。

圖3 液相流速為10 m/s氣相流速分別為0 m/s和80 m/s的速度云圖

圖3從上到下依次為氣相速度為0 m/s的半剖面和出口面的速度云圖、氣相速度為80 m/s的半剖面和出口面的速度云圖。由半剖面速度云圖可以發現，有氣相流速時，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。由出口速度云圖可以發現，有氣相流速時，速度出現多次分層現象，這有利于加強霧化的強度，提高霧化的均勻性。以上模擬結果驗證了雙介質噴嘴相對于單介質噴嘴霧化效果的優越性。

2.2 氣相速度對霧化效果的影響

在驗證氣相流速有利于加強霧化效果之后，為探究不同氣相流速對霧化效果的影響，將液相流速設置為10 m/s，分別將液相流速分別為60m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時的噴嘴霧化情況進行對比。

由圖4可以發現，在液相速度一定的情況下，隨著氣相速度的增大，氣相分子與液體分子相互碰撞作用加強，兩相流之間的能量與動量交換作用愈發明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加。其中，液體流束邊緣處與氣相作用最劇烈，作用效果最明顯。

圖4 液相流速為10 m/s時氣相流速分別為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時的速度云圖

由圖5可以發現，不同氣速下計算域的體積分數結果可知，在相同液相流速下，氣相速度越大(在一定范圍內)，液體的擴散效果越好，霧化效果越明顯。得出結論，增加氣體速度與液相速度的比值能明顯強化霧化。

圖5 液相流速10 m/s，氣相流速為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時的體積分數云圖

3 結論

本文根據實際噴嘴模型，結合煙廠的實際運行參數，進行雙介質噴嘴的物理建模，并通過設置相關的邊界條件來達到實驗的預期。通過控制變量法來研究液相流速對霧化效果的影響。研究表明：有無氣相流速會對霧化效果產生很大的影響。當氣相介質參與霧化時，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。驗證了氣相流速，會對霧化效果產生一定的促進作用，為后面的模擬奠定了基礎。當液相流速固定時，隨著氣相流速的增加，氣相分子與液體分子能量與動量交換效果加強，霧化效果明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加，有利于促進霧化程度。