基于數(shù)值模擬氣液比對豆膠氣泡霧化的影響1)

花 軍 張文程 賈 娜 Sheldon Q.Shi

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (深圳市特爾佳科技股份有限公司) (東北林業(yè)大學(xué)) (美國北德州大學(xué))

豆膠(即豆基蛋白膠)在環(huán)保方面的優(yōu)勢，使得國內(nèi)外許多學(xué)者研究對其進行改性后應(yīng)用在人造板中，以避免甲醛造成的環(huán)境問題［1－5］。但目前的研究發(fā)現(xiàn)，豆膠的高黏度特性及非牛頓流體特性很難適應(yīng)纖維板(刨花板)生產(chǎn)的施膠工藝［6］;其改性后得到的豆膠黏度，最高可達20 mPa·s［7］，國內(nèi)纖維板(刨花板)生產(chǎn)線現(xiàn)有的施膠方式無法實現(xiàn)其霧化。因此，研究如何能使這種具有高黏度、非牛頓流體特性的豆膠霧化，成為豆膠擴展應(yīng)用的核心問題。

豆膠在霧化過程中的工作參數(shù)主要包括:豆膠物性參數(shù)、氣體注入速度、液體注入速度、氣液比(氣液質(zhì)量流量比)、工作壓力等［8］。氣液比對豆膠霧化的影響是關(guān)鍵因素［9］。筆者擬采用數(shù)值模擬的方法，通過改變氣液比，對豆膠與空氣在噴嘴內(nèi)部的流動情況進行數(shù)值模擬，研究氣液比對豆膠霧化的影響;并對豆膠在噴嘴出口下游的霧場進行仿真，驗證最佳氣液比的正確性。

1 數(shù)值模擬的方法

氣泡霧化的過程分為兩部分:氣液在噴嘴內(nèi)部的混合流動與液體在噴嘴出口下游的霧化。氣泡霧化效果好的前提，是必須保證氣液在噴嘴內(nèi)部的混合情況良好。當其他條件不變，單獨改變氣液比進行霧化時，首先發(fā)生改變的是噴嘴內(nèi)部的流動情況;流動情況發(fā)生改變，直接導(dǎo)致噴嘴出口的壓力、速度等數(shù)據(jù)的變化，這些數(shù)據(jù)的變化最終直接影響霧化效果。研究氣液比對豆膠霧化效果的影響分兩步:一是研究氣液比對氣液在噴嘴內(nèi)部流動情況的影響，二是研究噴嘴出口數(shù)據(jù)對霧化效果的影響。模擬時采用的方法為:通過噴嘴內(nèi)部流動情況的數(shù)值模擬，分析氣液比對流場分布的影響，并得到進出口的速度及壓力等數(shù)據(jù);通過對數(shù)據(jù)的理論分析計算，研究氣液比對相關(guān)參數(shù)的影響，得出最佳氣液比;其后，通過噴嘴下游霧場的仿真，對得出的最佳氣液比進行仿真驗證。

模擬時，噴嘴內(nèi)部流場的數(shù)值模擬，采用的模型為多相流混合模型;噴嘴下游霧場的仿真，采用的模型為離散相模型;壓力和速度的耦合均采用Simple方法。一般試驗研究時，理論上氣泡霧化噴嘴存在一個最大氣液比，約為0.1;當氣液比過大，會影響模擬結(jié)果的準確性;模擬選取的氣液比均小于0.1［10］。氣液比的改變，通過固定氣體流量不變，單獨改變豆膠流量來實現(xiàn)。

2 不同氣液比下的混合數(shù)值模擬

2.1 混合模擬條件

模擬所采用的材料、噴嘴結(jié)構(gòu)、數(shù)值模擬的三維模型及求解器工作條件均與文獻［9］的混合模擬相同。為了提高模擬效果，本次模擬采用氣液比分別為 0.04、0.05、0.06、0.08 進行計算，其對應(yīng)的豆膠流量分別為 0.70、0.56、0.47、0.35 m3/h;針對文獻［9］中出現(xiàn)的局部湍流過強造成的局部靜壓為負的問題，將空氣流量固定為25 m3/h。為了提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，本次模擬對網(wǎng)格采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。

2.2 混合模擬結(jié)果的分析方法

進行不同氣液比條件下，豆膠與空氣的混合數(shù)值模擬，是為了尋找最佳氣液比。最佳氣液比的條件，是在滿足霧化良好的情況下，霧化總能量高，氣耗量低;模擬得到的結(jié)果，是不同氣液比下的壓力場分布圖、速度矢量場分布圖、組分體積分數(shù)場分布圖。從圖中可以得到進出口壓力及出口速度等一些數(shù)據(jù)，針對這些數(shù)據(jù)分析最佳氣液比值。

2.2.1 流場分布圖

流場分布圖，主要是用來顯示豆膠與空氣的混合情況。不同的流場分布圖，可以看到不同的混合情況，得知其混合的效果。流場分布圖，主要通過壓力場分布圖、速度矢量場分布圖、組分體積分數(shù)場分布圖體現(xiàn)。其中，壓力場分布圖中，除滿足壓力從進口到出口逐漸減小之外，在通氣孔處，空腔的壓力應(yīng)大于中心管中的壓力，使得氣體進入中心管與液體混合。速度矢量場分布圖，應(yīng)滿足速度逐漸增大的趨勢;組分體積分數(shù)場分布圖中，豆膠從噴嘴進液口到出口應(yīng)逐步均勻的減小，并被包圍在氣體之中。因此，只有滿足這3個圖的條件才能說明，豆膠與空氣進行了很好的混合。

2.2.2 出口的數(shù)據(jù)

氣泡霧化噴嘴，實現(xiàn)液體霧化的2個條件分別是［11］:

(1)氣泡在出口處，由于內(nèi)外的極大壓力差，克服液體的表面張力，破裂，爆炸成小液滴。

(2)氣泡在迅速擴大時把液體壓成液絲，當氣泡爆炸時，其釋放的能量克服液體的黏性力，使得液絲霧化成小液滴;在不斷的爆破中，液滴還將因能量的沖擊而霧化成更小的霧滴。

豆膠的表面張力遠小于水的表面張力，克服表面張力實現(xiàn)霧化是可行的。假定單位時間內(nèi)霧化的豆膠的體積定義為VL，則霧化過程中所需要的霧化空氣的質(zhì)量(Mg)為:

式中:RAL為氣液比;ML為霧化豆膠的質(zhì)量;ρL為霧化豆膠的密度。

霧化過程中，作用在液體上的總能量包括3部分:液體的壓力勢能(E1)、氣體的動能(E2)、氣體的壓力勢能(E3)。計算式見式(2)～式(4)［12］。

式中:ΔPL為單位面積上豆膠的進出口壓力差;vg為空氣出口速度;ρg為空氣的密度;ΔPg為單位面積上空氣的進出口壓力差;Vg為空氣的體積。

計算三部分能量，得霧化總能量(E)為:

通過模擬結(jié)果中提供的出口數(shù)據(jù)，可得不同氣液比條件下的霧化總能量。當不同氣液比條件下的混合模擬所得流場分布圖都顯示混合良好時，通過比較霧化總能量的數(shù)據(jù)可得出最佳氣液比;霧化總能量越高，霧化越好。

2.2.3 氣耗量

氣耗量，即霧化液體時所消耗的氣體量，是評價霧化成本的關(guān)鍵因素之一。模擬所設(shè)定的氣體流量為固定值。當選擇不同氣液比，即液體不同流量時，意味著液體流量越高，其氣耗量越低;液體流量越低，其氣耗量越高;氣耗量與氣液比成正比。在分析模擬結(jié)果時，氣耗量是必須考慮的參數(shù)。

2.3 混合模擬結(jié)果

分別對豆膠與空氣在氣液比分別為0.04、0.05、0.06、0.08 的條件下進行混合數(shù)值模擬計算，得到它們的壓力場分布圖、速度矢量場分布圖、組分體積分數(shù)場分布圖。

2.3.1 壓力場模擬結(jié)果

從圖1可看出，每個氣液比下的壓力場均能滿足壓力場要求的基本條件，壓力的變化符合伯努利方程。從壓力降低情況看，各自的壓力降低的次數(shù)與頻率都比較適中，區(qū)別在于壓力改變的區(qū)域及大小不同。噴嘴出口的靜壓皆為0。豆膠從進口到出口的壓力差分別為 0.756、0.643、0.595、0.451 MPa，空氣從進氣口到出口的壓力差分別為0.567、0.547、0.506、0.406 MPa，它們都隨著氣液比的增加而減小。

2.3.2 速度矢量場模擬結(jié)果

從圖2可看出，每個氣液比下的速度矢量場，均能滿足速度矢量場要求的基本條件。從各圖的速度變化情況看，氣液比在 0.05、0.06 時，速度變化比較均勻，流動情況較好。不同氣液比下的出口速度分別為201、172、141、112 m/s，速度隨著氣液比的增加而減小。

圖1 壓力場分布圖

圖2 速度矢量場分布圖

2.3.3 組分體積分數(shù)場模擬結(jié)果

從圖3可看出，每個氣液比下的組分體積分數(shù)場，均能滿足要求的基本條件。當氣液比為0.05時，明顯液體流量分布的不夠均勻，從上到下的變化比較明顯;氣液比為0.08時，液體雖分布均勻了，但有部分區(qū)域流動不夠合理，離出口更近的地方的體積卻比遠的地方大，這是不足的地方;氣液比為0.04和0.06時的流動情況較為合理。

圖3 組分體積分數(shù)場分布

2.3.4 混合模擬結(jié)果

2.3.4.1 流動情況

從圖1～圖3中可看出，不同氣液比豆膠與空氣混合情況都存在一些差異。原因主要有兩方面:一是豆膠屬于非牛頓流體，在不同的氣液比下，隨著剪切速率的變化，其黏度也發(fā)生變化，部分區(qū)域流動情況產(chǎn)生區(qū)別;二是小氣液比能較好的形成氣泡流動，形成氣泡的速度較慢，但氣泡的總能量沒有大氣液比的能量高，造成的氣泡碰撞及破裂情況不同，這也是局部存在差異的原因。總體看，氣液比為0.04和0.06時，豆膠與空氣在噴嘴內(nèi)部的混合情況，優(yōu)于其他氣液比條件下的混合情況。

2.3.4.2 總能量的計算

假定單位時間內(nèi)霧化豆膠的體積均為1 m3，對不同氣液比下的霧化總能量及氣耗量進行計算(見表1)。由表1可見，霧化總能量隨氣液比的增加而降低，氣耗量隨氣液比的增大而升高。氣液比為0.04 時，霧化總能量最高達 8.50×105J，氣耗量最低為46.0kg;氣液比為0.08時，霧化總能量最低為5.10×105J，氣耗量最高為 92 kg。

表1 不同氣液比下的霧化總能量

2.3.4.3 最佳氣液比的確定

文獻［9］進行的氣液比為0.07時的模擬結(jié)果，相對于此次模擬的結(jié)果較差;比較其他四組，氣液比越低，氣耗量越低，則氣液比為0.04時氣耗量最低。圖3所示，當氣液比為0.05和0.08時，氣液分布顯然沒有另兩組好，造成流動不均勻，施膠量不能保持一致，導(dǎo)致不利于在霧化施膠系統(tǒng)中的使用。對其他兩組進行對比分析，當氣液比為0.04時，氣耗量最低，豆膠與空氣在噴嘴內(nèi)部的混合情況較好，霧化總能量顯著高于其它組;因此，在該模擬條件下，這種結(jié)構(gòu)噴嘴的最佳氣液比為0.04。

3 仿真驗證

仿真驗證，是以不同氣液比的混合數(shù)值模擬得出的出口速度、壓力等數(shù)據(jù)為模擬條件，進行噴嘴下游霧場的數(shù)值模擬。分析模擬結(jié)果直接得出最佳氣液比，驗證與混合模擬得到的理論最佳氣液比值是否相吻合。仿真時采用的模型為離散型。

3.1 離散型模擬條件

模擬時，先用k－ε湍流模型對連續(xù)相空氣進行模擬，當?shù)諗恐?，再加入離散相豆膠，對其進行計算。霧化所用模型為wave破碎模型，顆粒射流的模型為氣泡霧化噴嘴模型。霧場模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為21 285，劃分好的網(wǎng)格如圖4所示。材料的選擇與混合模擬時相同，進口速度及質(zhì)量流量等條件見表2。

表2 不同氣液比下的進口速度及質(zhì)量流量

圖4 噴嘴出口下游霧場及截面網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 離散型模擬結(jié)果

以混合數(shù)值模擬得出的出口數(shù)據(jù)為條件，對噴嘴出口下游霧場進行離散型數(shù)值模擬(顆粒粒徑分布圖見圖5)。從圖5可見，不同氣液比，霧化顆粒的霧炬錐角分別為 35°、31°、33°、31°，霧化顆粒的粒徑分別為 29、51、73、66 μm。

圖5 不同氣液比霧化粒徑分布圖

驗證氣液比是否為最佳氣液比的關(guān)鍵，是在最佳氣液比下的霧化效果最好;霧化效果最好的直接體現(xiàn)，是霧炬錐角大，霧化顆粒直徑小。上述模擬結(jié)果，當氣液比為0.04時，霧炬錐角最大為35°，霧化顆粒直徑最小為29 μm;說明，0.04為最佳氣液比，與理論分析的最佳氣液比相吻合。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)氣泡霧化理論，確定了氣液比對豆膠氣泡霧化影響的數(shù)值模擬方法及條件，分析了流場分布圖及其顯示的數(shù)據(jù)對豆膠霧化效果的影響，為下一步數(shù)值模擬做準備。

采用計算流體力學(xué)方法，對不同氣液比豆膠與空氣在噴嘴內(nèi)部的流動情況進行了數(shù)值模擬，得到它們的壓力場分布圖、速度場分布圖、組分體積分數(shù)場分布圖。模擬分析結(jié)果表明:在該種模擬條件下，氣液比為0.04及0.06時，相對應(yīng)的豆膠與空氣在噴嘴內(nèi)部的流場分布圖較好;霧化總能量，隨氣液比的增大而降低，氣耗量，隨氣液比的增大而升高。當氣液比為0.04時，流動情況較好，霧化總能量高，氣耗量低，最佳氣液比為0.04。以混合模擬得到的出口數(shù)據(jù)為條件，進行了仿真驗證，得到了霧化顆粒粒徑分布圖;分析仿真驗證結(jié)果得出，氣液比為0.04時，霧炬錐角最大為35°，霧化顆粒直徑最小為29 μm，與混合模擬得到的理論最佳氣液比值相吻合。

［1］ Hamarneh A I，Heeres H J，Broekhuis A A，et al.Use of soy proteins in polyketone-based wood adhesives［J］.International Journal of Adhesion and Adhesives，2010，30(7):626 －635.

［2］ Li K，Geng X，Simonsen J，et al.Novel wood adhesives from condensed tannins and polyethylenimine［J］.In ternational Journal of Adhesion and Adhesives，2004，24(4):327 －333.

［3］ John F Schmitz.Comparison of soy-flour hydrolysates for wood adhesive systems［D］.Iowa:Iowa State University，2006.

［4］ 林巧佳，童玲，林金春.大豆基木材膠黏劑改性研究的進展［J］.亞熱帶農(nóng)業(yè)研究，2007，3(4):284 －289.

［5］ 文博.“大豆基無醛木材工業(yè)用膠黏劑”通過新產(chǎn)品鑒定［J］.中國人造板，2011(9):40.

［6］ 張亞慧，于文吉.大豆蛋白膠黏劑在木材工業(yè)中的研究與應(yīng)用［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2008，24(5):20 －23，27.

［7］ 張亞慧.改性大豆蛋白膠黏劑的合成與應(yīng)用技術(shù)研究［D］.北京:中國林業(yè)科學(xué)研究院，2010.

［8］ 戰(zhàn)強，曾愛軍，何雄奎，等.氣泡霧化噴嘴的試驗研究［J］.農(nóng)機化研究，2008(2):133 －135.

［9］ 張文程，花軍，賈娜，等.豆基蛋白膠氣泡霧化機理的數(shù)值模擬［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(2):107 －111.

［10］ 侯凌云，侯曉春.噴嘴技術(shù)手冊［M］.北京:中國石化出版社，2007.

［11］ 于茂軍，仇性啟.氣泡霧化噴嘴技術(shù)［J］.工業(yè)加熱，2006，39(4):38－41.

［12］ 梁曉燕.氣泡霧化噴嘴的試驗研究及數(shù)值模擬［D］.南京:東南大學(xué)，2005.