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基于Fluent的气液双流体喷嘴雾化特性研究论文

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  关键词:气液双流体喷嘴,速度场,雾化特性,数值模拟

  0引言

基于Fluent的气液双流体喷嘴雾化特性研究论文

  气液双流体喷嘴雾化是液体通过水流入口进入高速流动的气体介质中,利用气体的气动力和打击力使之破碎为小液滴颗粒的过程[1],这种喷雾技术有着广泛的应用,包括冶金工业的喷雾冷却、矿物工业的除尘、消防、雾霾的有效净化以及航空航天工程的燃油雾化等领域[2-5]。气液双流体喷嘴内部的压缩空气与液体进行了充分的动量交换,使其具有强烈的扰动特性从而加剧液膜的撕裂和液滴的破碎[6]。另外,当喷嘴喷出的液体进入空气中时候,外界环境的空气会对液体的运行形成一个摩擦力的阻碍作用,与喷嘴内部自身的具有的压缩空气的动力相结合会加强液体的雾化过程,提高雾化质量和效率。这种喷嘴可以通过调节所给空气的压力和所给液体的流量达到不同的雾化指标,具有控制方便、可靠性高、调节范围广等优点[7-8]。

  经过多年的研究,国内外的学者们已经针对不同类型的气液双流体雾化喷嘴开展了一些研究。在实验研究方面,张涛等[9]利用粒子图像法研究了气液同轴外混式气液双流体喷嘴的宏观雾化特性,并分析了喷嘴的雾化机制。陈海杰等[10]利用PDA测试系统对气液双流体喷嘴和旋转雾化喷嘴的雾化性能进行了实验测定,并分析了气液双流体雾化喷嘴的适用性。王鹏飞等[11]对内混式气液双流体雾化喷嘴进行了结构参数优化研究,讨论了气孔数量和注水孔直径的变化对喷嘴雾化性能的影响。赵芳等[12]针对一种可变喷头的旋流式气液双流体喷嘴展开了雾化性能实验研究,重点研究了工作参数对喷嘴流量变化的影响。蒋仲安等[13]通过分析一次雾化和二次多级雾化得出了影响喷嘴雾化的影响因素。此外,随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的快速发展,针对气液双流体喷嘴的数值模拟研究也在不断发展。傅文锋等[14]利用DPM模型模拟了不同结构下外混式气液双流体喷嘴的雾滴颗粒的空间分布规律。顾志勇等[15]添加了能量模型模拟了低温状态下雾化喷嘴内部的流场特性,并得到了喷嘴内外部流场的温度分布。王冰川等[16]针对超音速气液双流体喷嘴验证了压力差、速度场和温度场在喷嘴轴线上的变化规律。徐文等[17]利用流体体积(Volume of Fluid,VOF)模型对喷嘴的一次破碎和二次雾化过程展开了较为精细的数值模拟,模拟主要分析了一次破碎和二次破碎的雾化机理。

  由于实际的喷嘴雾化过程非常迅速,仅凭实验手段无法精确地捕捉到喷嘴内部流场的变化规律,且对于喷嘴外部流场的测量手段也较为有限。目前大多采用光学方式对喷嘴出口的雾滴颗粒粒径和速度分布进行捕捉,且该实验仪器造价昂贵,近些年随着计算流体力学及大量数值模拟软件的日渐成熟,数值模拟作为另一种研究手段备受关注,相比实验可以节约大量时间和成本,且可以读取出相比于实验更多的数据以供分析,从而辅助学者们对喷嘴雾化理论有更深远的认识。综上,本文采用VOF两相流模型和Realizablek-ε模型对气液双流体扇形雾化喷嘴进行数值模拟,重点研究流场速度分布及雾滴特性,为之后的工程化应用提供参考。

  1模型建立
       1.1物理模型

  本文研究的喷嘴结构为内混式气液双流体喷嘴,其几何模型如图1~2所示。少量液体从上方入口进入喷嘴内部,压缩空气和液体会在喷嘴内部进行混合,随后将液体雾化,接着从扁缝状喷嘴出口喷出。

  这个过程中,气动力远大于液体自身的黏性力和表面张力,气液界面的接触使液体表面形成了表面波,随着表面波的发展,液体发生形变、拉伸、变薄、初次破碎、二次破碎和雾化等一系列过程。基于此,研究发现在喷嘴结构及外部工作条件不发生改变时,空气入口的压力及流速、水流量的大小影响着喷嘴的外部流场规律及雾化效果[18]。因此本文拟通过改变喷嘴的工作条件来探寻喷嘴出口流场的变化规律、雾滴粒径的大小、速度规律和空间分布规律。
       1.2网格划分
        本文在计算过程中为了保证计算结果的准确性,在画网格的时候采用分区域加密的方式,分别对喷嘴外部流域和喷嘴内部结构部分分别进行网格划分。如图3所示,喷嘴外部计算域为长1 500 mm、宽500 mm、高500 mm的立方体区域,喷嘴在计算域左侧,采用局部加密的方式单独对喷嘴结构进行加密,喷嘴的气流入口是边长为13 mm的六边形入口,水流入口2 mm的圆形入口,出口为长28 mm、厚1 mm的扁缝状出口,整个喷嘴流域长为55 mm。

  对计算结果进行网格无关性验证,取气水入口压力均为0.3 MPa时,不断调整网格数量,发现随着网格数量的增多,网格质量的提升,喷嘴出口处速度的变化越趋近于稳定,网格无关性验证结果如图4所示,综合考虑计算的时效性和准确性,最终选取网格总数量为291万的网格进行计算。

  2控制方程和参数设置
       2.1控制方程

  本文利用ANSYS Fluent对该喷嘴模型进行数值模拟仿真,该模型采用连续相湍流可压缩模型进行计算。流体流动的控制方程如下。

  连续性方程:

  式中:E为流体的总能量;keff是指有效热传导系数;T为温度;hj'为对应组分的比焓;Jj'为对应组分的扩散流量。

  喷嘴的雾化过程是一个复杂的湍流流动过程。Real‐izable k-ε模型采用了新的湍流粘度公式,可以更精确地模拟复杂流体流动,包括旋转流动、流动分离、二次流以及强逆压梯度的边界层流动等,均有很好的计算表现,相较于标准k-ε模型及RNG k-ε模型,能更好地处理喷嘴内部复杂流道的湍流流动。

  湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为:

  式中:Gk和Gb为湍动能产生相;YM为湍流脉动对耗散率的贡献项;C1ε,C2ε为模型常数,σk和σε为湍流动能k和湍流耗散率ε的有效普朗特数。Sk和Sε为用户自定义的源项。

  液滴颗粒在喷射过程中遵守的动量运动方程为:

  式中:F为动量源项;p为颗粒速度ρp为颗粒密度;FD(-p)为单位质量曳力。

  2.2边界条件及模拟方案设置

  本文将图3的网格导入Fluent软件后,选择采用SIMPLEC的速度压力耦合求解器进行求解,选择Realiz‐able k-ε作为计算的湍流模型,选择DPM离散相模型作为研究雾滴粒径和分布的主要模型。其中气相设置为空气,离散相设置为水滴。气相入口条件和液相入口条件为压力入口条件,喷嘴出口为压力出口边界条件,外部流域设置为0.1 MPa。表1为模拟计算中设置的空气和水的物性参数,表2为模拟计算中所设置算例的工况参数,其中通过改变气压和水压来分别调整气流速度和水流量,从而来进一步观测该喷嘴的雾化特性参数变化。

  3结果与分析
       3.1速度场分析

  图5~6分别为为该喷嘴经过数值模拟计算后得到的内部和外部流域的速度云图。从图5中可以看出,在气流经过注水口与水接触后,经过喷嘴自身结构由宽变窄的压缩,导致气流速度逐渐增大,在喷嘴出口处速度达到最大,且注水通道背风面具有的速度较小。结合图6,可以看出喷嘴出口处速度达到最大值,随着喷射距离的增加,喷嘴的速度也逐渐降低。

  图7为喷嘴外部流域中心轴线上,喷嘴出口气流速度随着喷射距离的变化。首先可以进一步看出气流的速度是逐渐衰减的,其次可以发现气流速度初始的时候衰减较快,随着喷射距离的不断增加,其衰减速度逐渐减缓,在计算域内速度大小逐渐趋于稳定。基于此规律,可以通过调整喷嘴的位置和距离来满足不同的实际工况需求。

  3.2压力场分析

  图8为喷嘴内部的压力云图,由图可以看出喷嘴在运行过程中其内部压力很大,而喷嘴的外部边缘压力很小。喷嘴压力的衰减主要发生在喷嘴的后半段,从喷嘴与水接触开始,可以观察到喷嘴内部的压力有一个较为明显的衰减,这是因为喷嘴的后半段流域是一个收缩的结果,其流速必然增大,而根据伯努利方程可以得出流速增大的地方压力减小,与图8的结果相符,从而进一步验证了此计算模型的准确性。3.3雾滴颗粒分布雾化喷嘴将雾滴颗粒喷出后,雾滴颗粒的空间分布如图9所示,可以看出雾滴在经出口喷出后呈一定的角度扩散,其中位于喷嘴中心位置处的雾滴颗粒较为集中。图9也进一步显示出了不同区域颗粒的飞行速度大小,其规律与图6中气流速度云图规律相类似。

  雾滴颗粒在喷嘴内部形成和在喷嘴出口时速度较大,在飞到外部流域中时,受外部气流作用的扰动和摩擦,其速度迅速发生衰减。且喷雾中心区域的雾滴颗粒速度衰减较小,整体呈现的速度较大,雾滴颗粒的飞行距离也会更远,打击能力较强;而喷雾外部边缘区域的雾滴颗粒速度衰减较大,整体的飞行速度更慢。雾化喷嘴在工业上也经常应用于冲击壁面或者破碎熔体等方面,这要求喷嘴有较高的打击能力,而喷嘴喷出的雾滴颗粒的速度是影响喷嘴打击能力的重要影响因素之一。另外通过对喷嘴雾滴分布的计算,可利用该计算模型在对应的工况中进一步设计喷嘴阵列,以满足工业需求。

  3.4雾化性能影响因素分析

  影响喷嘴雾化性能的因素有很多,主要包括外部宏观因素和自身结构因素。在本文中,喷嘴自身结构已经确定的条件下,主要考虑的是外部宏观因素包括气流条件和供水条件的变化对该喷嘴雾化性能的影响。

  (1)气流速度规律

  喷嘴出口气流速度是喷嘴工作性能的一个重要指标。图10所示为水压为0.5 MPa时,不同气压下喷嘴出口气流在中心轴线上的速度变化趋势。从图中可以看出,不同气压下的气流速度的衰减趋势保持一致,气流刚从喷嘴喷出时速度衰减速度大,随着喷射距离的逐渐增加,气流速度迅速降低,且衰减速度逐渐减小,呈稳定趋势;另外气压越大,喷嘴出口速度越大,但是其速度衰减的也会越快,喷射距离越长,不同压力间的气流速度差距越小。在实际工程应用中,需要根据此规律去调整喷嘴喷射的位置距离。随着气压的逐渐增大,气流速度的增加趋势逐渐降低,因此从能耗角度来看,增大气压时喷嘴的能量损耗也就越大,如何用最小的能耗达到最佳的喷嘴喷射结果也是喷嘴研究者们需要考虑的问题。

  图11所示为气压为0.5 MPa保持不变时,不同水压下喷嘴出口气流在中心轴线上的速度变化趋势,从图中可以看出,不同水压下的气流速度的大小非常接近,仅有细微差别,在距离出口0.5 m时,水压对气流速度的影响已经很小,这是由于本模拟计算所使用的气液双流体雾化喷嘴入水口非常小,孔径仅有2 mm大小,而改变水压对水流量变化的影响非常小,喷嘴内部的流场变化较小,进一步导致喷嘴出口的速度相近,从而使不同水压下喷嘴出口的气流速度大小和衰减规律非常接近。水压的增大导致水流量的增大,水量的增多会导致气水动量交换量提高,使气体损失更多的动能,从图可以看出,水压增大仍会导致气体速度整体的降低。

  (2)雾滴速度规律

  与喷嘴喷射气流速度相同的,雾化喷嘴喷出的雾滴速度的大小也是喷嘴雾化性能的重要参数,距离喷嘴出口相同距离的平面上有着多个雾滴颗粒,中心区域的颗粒速度大,外部边缘的颗粒速度小,在这里取它们的平均值作为该平面上雾滴颗粒速度的大小。如图12所示,水压为0.5 MPa时,不同气压下雾滴颗粒的速度变化趋势。可以发现雾滴颗粒的速度变化趋势与图10中气流速度的变化规律相似,雾滴颗粒的速度相比同位置处的气流速度要更小,这是因为雾滴速度是气动力作用于雾滴颗粒本身而得到的,而且雾滴颗粒在飞行过程中也会受到较大的空气阻力从而速度逐渐衰减。随着喷射距离的增加,气压对雾滴颗粒速度的影响也越来越小。

  水压变化对雾滴颗粒飞行速度也有明显影响,如图13所示,在气体压力保持0.5 MPa保持不变时,调整水压大小所得到的雾滴速度分布的结果。由图可知,整体上雾滴颗粒的速度大小受水压的影响,水压越大时,水量增加,气流破碎液体所损失的能量越多,造成气流动力的降低,从而导致雾滴颗粒速度减小。但是与图12中的结果相比,发现气压对雾滴颗粒速度的影响明显高于水压。

  (3)雾滴粒径规律

  在喷嘴雾化的过程中,雾滴的粒径是评判喷嘴雾化性能的一个重要指标,一般来说,雾滴颗粒的粒径越小,表明液体的破碎越完全,喷嘴的雾化效果越好。本文经过数值模拟计算不同工况下喷雾的粒径分布结果,并利用索特尔平均粒径对颗粒粒径进行计算,结果如图14所示。在气压从0.3~0.7 MPa变化时,雾滴的索特尔平均粒径随之减小,且减小的趋势较为稳定,这是由于随着气压增大后,气流的速度逐渐增大,对液体的扰动作用加强,使液体更容易破碎为小颗粒雾滴,从而使雾滴的粒径变小;另一方面,在气压一定时,随着水压的增大,雾滴颗粒的粒径也在逐渐增大,这是因为水压的增大导致了水流量的增加,需要破碎的液体量增大,从而导致每个雾滴颗粒并不能充分得到破碎使其具有较大的雾滴粒径。而水流量的增速随着水压的增大是逐渐减缓的,这也是导致雾滴平均粒径随水压变化曲线到后期愈发平缓的主要原因。因此,增大气量,减小水量即增加气液比可以有效地增强该喷嘴的雾化性能。

  4结束语

  本文针对气液双流体喷嘴进行了喷嘴雾化过程数值模拟研究,得到了喷嘴运行过程中内外部流域随运行参数的变化规律,包括气流速度、压力、雾滴空间分布、雾滴速度、雾滴平均粒径等判定喷嘴雾化性能指标的参数,并进行分析,主要结论如下:

  (1)该喷嘴在气水接触时,气流速度加快,到喷嘴出口时,速度达到最大,在喷嘴喷出后,气流速度迅速衰减;

  (2)喷嘴在出口位置处压力达到最大;

  (3)雾滴颗粒在喷出后迅速呈锥形扩散,外部边缘部分的雾滴受空气阻力更大,速度衰减较快,速度更低,喷雾中心区域的雾滴颗粒相对速度更大;

  (4)气压的增大、水压的减小即气水比的增大会使外部流域的气流速度和雾滴颗粒速度更快,也会使喷嘴的雾滴颗粒粒径更小,雾化效果更好;反之,则会使雾滴粒径增大,且对于该喷嘴来说,液体压力改变对雾化性能的影响远小于气压变化对雾化性能的影响。

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