一種噴嘴的改進設計及其噴霧性能仿真分析

楊玉昆 ，金向陽，2，白鵬程 ，施 法 ，王莎莎 ，董子昂 ，林 晶,2，王加國

(1.哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院， 哈爾濱150028；2.虛擬制造技術福建省重點實驗室， 福建 泉州362000；3.黑龍江省乾升冰雪設備制造有限公司， 哈爾濱 150028)

目前，在生產與生活中噴霧都得到了廣泛的應用.例如空氣消毒、空氣加濕、噴墨打印、霧化干燥、農藥噴灑、農業(yè)灌溉、燃料霧化等都用到了液體霧化技術.

霧化是指通過各種方式將連續(xù)的液體或液固混合物轉變成離散的液滴或固體顆粒的過程[1].噴嘴是將連續(xù)流體介質轉變?yōu)殡x散液滴的最小工作單元[2],噴嘴種類很多，噴嘴的結構和噴射特點決定了其用途和霧化效果[3].

國內外學者從不同方面對噴嘴霧化效果的影響因素進行了實驗分析，例如張永良等[4]通過光學手段對透明玻璃材質的離心式噴嘴內部填充過程進行了可視化監(jiān)測.劉祺等[5]利用高速攝像機和Labview 軟件編輯控制程序協(xié)同工作，結合陰影法與紋影法進行光學測量，捕捉了航空發(fā)動機離心式噴嘴在高溫高壓定容彈內的宏觀噴霧過程.王家俊等[6]利用利用相位多普勒粒子測量技術(PDPA)測量了沿流向距離離心噴嘴出口30 mm平面上的油霧特性，并利用激光粒度分析儀對試驗結果進行了進一步驗證.Kim等[7]利用高速攝影和相位多普勒粒子分析儀(PDA)，以水為模擬工質，圍繞噴射壓力和幾何結構的變化對同軸旋流噴注器霧化參數(shù)的影響進行了一系列的實驗，得到了液膜破碎長度、噴霧錐角、噴注器下游液滴速度分布和索特爾平均直徑(SMD)的變化規(guī)律.Sivakumar 等[8]利用高速攝影和馬爾文(Malvern)激光粒度儀，以水為模擬工質，研究了不同流量下同軸旋流噴注器內外路射流的匯合和分離過程.Alves 等[9]將加入熒光劑的水作為模擬工質，通過制作集液裝置研究同軸旋流噴注器入口結構對推進劑混合效率的影響.實驗研究也存在一些問題，如圖像可讀性差，無法讀取到更多更細致的有效信息，實驗可實施性差等.

許多學者選擇利用數(shù)值模擬進行仿真分析，陳晨等[10]采用兩相界面追蹤方法VOF(volume of fluid)模擬了噴嘴內部及近噴口區(qū)域流動過程，計算得到的噴霧角和試驗結果偏差不超過2%.王凱[11]等基于Coupled Level Set+VOF，計算模擬了兩種離心噴嘴的內部流動，分析了噴嘴內的流動過程及特征.宋大亮等[12]利用VOF方法和RNG雙方程湍流模型，將噴嘴出口處的一段納入計算域，利用數(shù)值模擬的方法計算分析了全流場的流動特性及噴霧特性.仇濤等[13]利用雙方程湍流模型(Realizablek-ε)和組分傳輸模型對圓形單噴孔中甲烷氣體的射流特性進行了仿真，同時分析了噴嘴內的流動特征及噴管外的射流特性.

綜上所述，目前對噴嘴霧化性能的研究主要集中在對傳統(tǒng)噴嘴的固定結構進行實驗和仿真分析.然而對于結合各類噴嘴的特性進行結構改進設計并分析比較其噴霧特性并不多見.雖然有很多學者對離心式噴嘴有研究，但離心噴嘴的旋流結構會產生什么影響，霧化性能差異有多少，很少人做出研究與比較.本文結合旋流霧化噴嘴的結構特征對既有噴嘴進行結構改進設計，設計增加了旋流槽的結構，利用仿真方法進行了數(shù)值模擬，分析了經(jīng)改進前后兩種噴嘴的流動機理與霧化性能，為噴嘴的結構的設計與噴嘴應用的選型提供了理論依據(jù).

1 數(shù)學物理模型

1.1 控制方程

質量守恒方程[14]：

能量守恒方程[15]：

1.2 湍流模型

湍動能k運輸方程[16]:

Gb-ρε-YM+Sk

湍流耗散率ε方程

2 計算模型

2.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

本文所研究的噴嘴由噴嘴外部構件和內部構件兩部分組成，如圖1所示.噴嘴內部流域的結構由噴嘴內閥芯的結構決定，根據(jù)旋流霧化噴嘴的工作原理，在該噴嘴原有結構基礎上，在噴嘴的內部閥芯的后端增加3個旋流槽，如圖2所示.采用ICEM.CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用非結構網(wǎng)格，并對噴嘴內流域的關鍵部分進行了網(wǎng)格細化處理，兩種噴嘴的模型網(wǎng)格數(shù)量都在9×106左右，網(wǎng)格細化處理結果如圖3所示.

圖1 噴嘴結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the nozzle structure

圖2 改進噴嘴內部構件結構示意圖Figure 2 Schematic diagram of the internal structure of improved nozzle

圖3 網(wǎng)格劃分細化處理Figure 3 Mesh refinement

2.2 邊界條件及計算工況

模型采用VOF模型和雙方程湍流模型(Realizablek-ε)，采用壓力基隱式求解器，入口和出口采用壓力邊界條件入口壓力為8 MPa,表壓為0 MPa，以水作為噴射工質，向充滿空氣的流域內噴射.

3 仿真分析

3.1 噴嘴內流場仿真分析

基準噴嘴及改進噴嘴的嘴內壓力云圖如圖所示，圖4(A)為基準噴嘴內的壓力云圖，圖4(B)為改進噴嘴內的壓力云圖，兩噴嘴內壓強的變化規(guī)律都是從噴嘴入口到噴嘴出口逐漸減小，但通過比較兩圖的legend可以發(fā)現(xiàn)，改進噴嘴內的壓強整體上遠小于基準噴嘴內的壓強.

圖4 噴嘴內壓力云圖Figure 4 Pressure contours in improved nozzles

兩種噴嘴內的流線圖如圖5所示，其中，基準噴嘴內的流線圖主視圖和左視圖如圖5(A)、(B)所示，改進噴嘴內的流線圖主視圖和左視圖如圖5(C)、(D)所示.通過比較可以發(fā)現(xiàn)，基準噴嘴內接近出口處的渦流大且數(shù)量少，而增加旋流槽結構的改進噴嘴內部，接近出口處的渦流數(shù)量變多，渦流更小.

圖5 噴嘴內流線圖Figure 5 Streamline in nozzle

兩種噴嘴的出口橫截面水平直徑方向上在不同時刻t=0.016 s，t=0.020 s，t=0.025 s，t=0.030 s的液相速度如圖6所示.

圖6 噴嘴出口橫截面水平直徑液相速度分布Figure 6 Liquid velocity distribution in the horizontal diameter direction on the cross section of nozzle outlet

兩種噴嘴的出口速度最大值差異不大，但出口速度在水平線方向上的波及范圍上差異明顯.基準噴嘴的出口速度在水平線上的波及范圍在-0.000 3～0.000 2之間浮動，改進噴嘴的出口速度在水平線上的波及范圍在-0.000 5～0.000 5之間，波及范圍更廣.且通過比較發(fā)現(xiàn)，改進噴嘴的速度最大值分布也更有規(guī)律，速度最高點分布在噴嘴出口水平線中心偏右側，這種現(xiàn)象與改進噴嘴增加的旋流槽的旋向有關.

兩種噴嘴的出口流量隨時間變化的對比情況如圖7所示.通過對比發(fā)現(xiàn)，在噴射前期，改進噴嘴的流量的波動更為頻繁，每次波動前后的流量差值更大，基準噴嘴的流量比改進噴嘴的流量更早達到平穩(wěn)狀態(tài)，平穩(wěn)狀態(tài)時兩種噴嘴的流量值維持在相同水平.

圖7 噴嘴流量Figure 7 Rate of flow of nozzles

3.2 噴嘴外流場仿真分析

兩種噴嘴外流場的流線圖如圖8所示，其中圖8(A)是基準噴嘴的外流場流線圖，圖8(B)是改進噴嘴的外流場流線圖.通過觀察比較可以得出，基準噴嘴噴霧場中的射流更加集中，射程更遠.而有旋流槽結構的改進噴嘴的噴霧場中的射流整體上來說更為分散，噴霧錐角更大，并且在噴霧場的中間位置射流以加速度的趨勢向周圍方向完全分散開.

兩種噴嘴噴霧場內隨時間變化的速度云圖如圖9所示.

圖8 噴霧場內流線圖Figure 8 Streamline in spray field of nozzle

圖9 噴霧場中的速度云圖Figure 9 Velocity distribution in spray field

其中9圖(A)列為基準噴嘴的速度云圖變化規(guī)律，圖9(B)列為改進噴嘴的速度云圖變化規(guī)律.時間分別為t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s、t=0.026 4 s四個時刻.經(jīng)觀察對比可以發(fā)現(xiàn)，在t=0.016 8 s時刻液體已經(jīng)由基準噴嘴出口噴出，而此時改進噴嘴內的液體尚未噴出.在t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s時刻，基準噴嘴的噴射速度始終高于改進噴嘴的噴射速度，而且射程也高于后者.當達到t=0.023 6 s時刻時，兩種噴嘴的噴射速度和射程基本持平，但相比于基準噴嘴，由改進噴嘴噴出的液體的速度中高速度區(qū)域明顯偏大，由此可見，在噴射達到穩(wěn)定狀態(tài)時，改進噴嘴的霧化錐角要大于基準噴嘴的霧化錐角.

兩種噴嘴噴霧場的中軸線上的液相的速度關于時間變化的規(guī)律如圖10所示，其中圖10(A)是基準噴嘴的噴霧場中軸線速度變化圖，圖10(B)是改進噴嘴的噴霧場中軸線速度變化圖.通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在t=0.016 s時刻液體由噴嘴出口噴出，但基準噴嘴的出口速度遠高于改進噴嘴的出口速度，說明相同條件下液體由基準噴嘴出口先噴出.基準噴嘴的出口速度在t=0.016 s時刻起已經(jīng)達到最大值且維持穩(wěn)定，改進噴嘴的出口速度經(jīng)由t=0.016 s，t=0.018 4 s，t=0.020 8 s時刻的加速后，在t=0.023 2 s達到最大值并基本穩(wěn)定，且經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，在不同時刻，基準噴嘴出口速度最大值普遍高于改進噴嘴的出口速度最大值.另外，由圖10(A)、(B)的對比可以看出，在t=0.016 s、t=0.018 4 s、t=0.020 8 s、t=0.023 2 s時刻基準噴嘴噴霧場中軸線上的噴射距離比改進噴嘴的大，且在t=0.023 2 s時刻已經(jīng)達到了模型設定的最遠距離D=0.5 m處，比改進噴嘴早0.002 4 s.但在t=0.025 6 s之后噴射速度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，在流場中軸線上，改進噴嘴的噴射速度在中后段普遍高于基準噴嘴的噴射速度，且速度波動明顯.

圖10 兩種噴嘴的噴霧場中軸線上的液體速度Figure 10 Liquid velocity along the central axis of the spray field

4 結 論

通過對兩種不同結構的噴嘴的霧化過程進行仿真分析，本文得到以下結論：

1)改進噴嘴增加的旋流槽結構會使噴嘴內的渦流變小，數(shù)量變多，會使噴嘴內的壓強變小，但在達到穩(wěn)定狀態(tài)后兩種噴嘴的流量維持相同水平；

2)改進噴嘴增加旋流槽結構后，會使噴射束更加發(fā)散，使霧化錐角變大；

3)改進噴嘴在增加旋流槽結構后軸向噴射速度降低，但是噴射速度在水平方向上的波及范圍明顯變大，即霧化錐角明顯變大.