噴嘴組在變壓力工況下霧化特性數(shù)值模擬

吳正人，周鑫宇，張亞萌

噴嘴組在變壓力工況下霧化特性數(shù)值模擬

吳正人，周鑫宇，張亞萌

（華北電力大學(xué) 動(dòng)力工程系，河北 保定 071003）

為了研究在不同噴霧壓力下噴嘴組的霧化特性，采用GAMBIT軟件進(jìn)行建模，并利用FLUENT軟件分別模擬了在不同噴霧壓力下（1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa）噴嘴組的霧化情況。結(jié)果表明，在其他條件均不改變的情況下，隨著噴霧壓力變大，液滴的索特平均直徑（）變小，液滴的速度變大，且液滴大小分布整體向小的方向偏移，液滴速度分布最密集的區(qū)間向速度更大的方向偏移；液滴的在噴嘴附近迅速增大，隨著液滴遠(yuǎn)離噴嘴，的大小趨于平穩(wěn)；不同噴霧壓力下的3個(gè)霧化場(chǎng)分別在其各個(gè)噴嘴的中心處液滴速度達(dá)到最大，其次是干涉區(qū)的液滴速度較大。

噴霧冷卻；霧化特性；噴嘴組；壓力；數(shù)值模擬

0 引言

噴嘴霧化是指當(dāng)液體在高壓的作用下,通過(guò)高速?lài)娚涑鰢娮爝M(jìn)入到靜止或低速氣流中，得到霧化的效果。噴霧冷卻通過(guò)高壓將工質(zhì)霧化成細(xì)小液滴噴射到熱沉表面。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，噴霧冷卻的換熱能力更強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景[1]。噴霧冷卻具有可以控制冷卻終點(diǎn)溫度、被冷卻表面溫度均勻、較小的工質(zhì)需求量、臨界熱流密度高、冷卻時(shí)間短、與固體表面沒(méi)有接觸熱阻等諸多的優(yōu)點(diǎn)[2]。噴霧冷卻的效果很大程度上取決于噴嘴的霧化特性，而噴霧壓力是決定霧化特性的重要因素之一，故研究噴霧壓力對(duì)噴嘴霧化特性的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

圍繞噴嘴霧化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了多方面的研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)噴嘴霧化空間的液滴分布進(jìn)行了深入的研究，分別對(duì)噴嘴霧化的軸向和徑向霧化空間的液滴分布狀況進(jìn)行了理論建模與分析，提出了基于霧化空間霧化液滴測(cè)量的霧化均勻性判據(jù)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)CF數(shù)值模擬，研究了氣液相對(duì)速度、霧化錐角及液體表面張力對(duì)液滴D32的影響。文獻(xiàn)[6]采用噴嘴破碎模型對(duì)不同噴嘴進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[7]基于CFD研究了噴嘴內(nèi)壁微振蕩結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴出口速度的影響。文獻(xiàn)[8]研究了噴嘴在不同氣液比下，霧化粒徑、霧化角度及霧化覆蓋直徑的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值模擬方法研究了兩相噴嘴的噴霧特性及氣體入射角度、噴嘴水平間距對(duì)噴霧特性的影響。文獻(xiàn)[10]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)旋流霧化噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)特性進(jìn)行研究，揭示了旋流霧化噴嘴內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，有效預(yù)測(cè)了霧化特性。文獻(xiàn)[11]為研究旋芯霧化噴嘴的噴放特性，通過(guò)建模仿真了單孔旋芯霧化噴嘴內(nèi)流場(chǎng)及外流場(chǎng)，研究分析了內(nèi)流場(chǎng)的霧化機(jī)理及外流場(chǎng)的霧滴分布特性，并結(jié)合實(shí)際噴放驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[12]針對(duì)壓力旋流噴嘴進(jìn)行模擬仿真以研究霧化壓力對(duì)霧化效果的影響，得到了在壓力旋流噴嘴的霧化場(chǎng)中，隨著噴霧壓力的增加，霧滴軸向速度、徑向速度的變化情況。

目前，噴嘴霧化的研究成果在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如：對(duì)于三噴嘴蒸汽噴射器振動(dòng)分析，三噴嘴干煤粉氣化爐點(diǎn)火燒嘴的優(yōu)化與改進(jìn)；多噴嘴油氣潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承的研究等。

當(dāng)前研究的噴嘴霧化大多基于單個(gè)噴嘴，對(duì)多個(gè)噴嘴的霧化特性研究還不夠豐富，本文基于3個(gè)噴嘴分別模擬了不同的壓力下噴嘴組霧化（液滴濃度、直徑、速度、三噴嘴干涉區(qū)）的情況。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型、網(wǎng)格劃分

本文模型模擬的空心錐壓力旋流噴嘴霧化錐角為60°、孔徑為0.38 mm。

數(shù)值模擬選取如圖1所示的計(jì)算區(qū)域。對(duì)于三噴嘴采用長(zhǎng)方體計(jì)算區(qū)域，使用Gambit軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行建模：對(duì)于三噴嘴的模擬，長(zhǎng)方體的計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)寬高分別為25 mm×25 mm×10 mm，3個(gè)噴嘴彼此之間的直線距離為6 mm，3個(gè)噴嘴連線組成等邊三角形的重心在計(jì)算域上表面中心處。

圖1 三噴嘴計(jì)算域

本文以液滴索特平均直徑為判據(jù)，對(duì)三噴嘴長(zhǎng)方形計(jì)算域從3萬(wàn)至50萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為40萬(wàn)時(shí)，液滴的索特平均直徑隨網(wǎng)格數(shù)的變化十分微小。故最終三噴嘴長(zhǎng)方體計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)取40萬(wàn)。

1.2 邊界條件及數(shù)值格式

本文采用FLUENT提供的壓力旋流噴嘴模型（pressure-swirl atomizer），噴霧張角60°。初始時(shí)刻，計(jì)算域中充滿靜止空氣。計(jì)算域底部為絕熱、無(wú)滑移壁面，四周邊界設(shè)為壓力出口，上表面設(shè)為壓力出口，且均采用逃逸邊界條件，壁面與環(huán)境溫度為25 ℃。在FLUENT提供的各種湍流模型中選取Realizable模型，使用耦合算法，動(dòng)量與壓力采用二階迎風(fēng)格式。噴嘴開(kāi)始噴霧后，組分包括水與空氣?？紤]液滴的破碎聚合、氣液兩相之間的耦合，破碎模型使用泰勒類(lèi)比破碎模型（TAB），激活動(dòng)力搖曳模型并考慮重力影響，液滴軌跡使用隨機(jī)漫步模型。使用非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，步長(zhǎng)為10–5s。

當(dāng)液滴變化在5%以內(nèi)并且計(jì)算區(qū)域出口質(zhì)量的誤差小于1%時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.3 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

式中：為流體動(dòng)力粘度，Pa·s；為源項(xiàng)。

組分運(yùn)輸方程：

當(dāng)液滴在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，常伴隨蒸發(fā)現(xiàn)象。使用組分運(yùn)輸模型可以描述水蒸氣與空氣的變化。組分運(yùn)輸方程如下：

液滴噴射過(guò)程中的動(dòng)量運(yùn)動(dòng)方程：

顆粒軌跡方程：

2 模型可靠性驗(yàn)證

若使模擬結(jié)果正確，首先要確定模型的可靠性。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽啃缘囊罁?jù)之一為液滴直徑。選取文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為本文數(shù)值模型可靠性檢驗(yàn)的依據(jù)。模擬條件如表1所示，與實(shí)驗(yàn)條件相同。

表1 模擬中使用的實(shí)驗(yàn)條件

模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖2所示，直觀地表示了誤差變化范圍。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有誤差的原因有兩方面：一是FLUENT不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)條件的完全模擬，故對(duì)實(shí)際問(wèn)題做了一定程度上的簡(jiǎn)化；二是實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件不同與不可避免的測(cè)量誤差。由圖2和表1可得，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差均在10%以內(nèi)，誤差較小且合理，說(shuō)明本文的數(shù)值模型可靠。

3 三噴嘴模擬結(jié)果及討論

3.1 三噴嘴干涉

對(duì)三噴嘴霧化場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算區(qū)域如圖1所示，噴嘴呈等邊三角形布置。對(duì)噴霧壓力為1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa 3種工況進(jìn)行模擬。

三噴嘴霧化效果如圖3所示。3個(gè)噴嘴的霧化場(chǎng)相互干擾使液滴之間更容易發(fā)生碰撞與聚合。因?yàn)閲娮熘g的直線距離為6 mm，霧化錐角為60°，經(jīng)計(jì)算得到大約在距計(jì)算域上表面5.2 mm處，三噴嘴的霧化場(chǎng)開(kāi)始交匯并相互干涉。DPM濃度分布云圖如圖4所示。由圖4可知，因?yàn)殪F化場(chǎng)相互干涉的影響，噴霧的整體分布不再均勻，干涉區(qū)的液滴濃度明顯升高，但干涉區(qū)液滴濃度隨著壓力的升高而降低。

圖3 三噴嘴霧化效果圖

圖4 距噴嘴5.2 mm處DPM濃度分布云圖

3.2 噴霧壓力對(duì)液滴直徑、速度的影響

對(duì)三噴嘴霧化場(chǎng)模擬得到各壓力下的液滴與速度變化規(guī)律，如圖5所示。隨噴霧壓力的增大，液滴減小、速度增大。噴霧壓力越大，氣體與噴嘴出口處液膜之間的相對(duì)速度也越大，液膜受到的剪切力更大，液膜變薄，最終液滴的速度變大。液滴速度增大，增大了霧化的能量，有利于液滴的破碎，使液滴能夠破碎成更小的顆粒，所以液滴減小。

圖5 壓力對(duì)三噴嘴液滴SMD與速度的影響

液滴直徑的分布如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，在3種壓力下，液滴直徑的分布趨勢(shì)基本相同，大致表現(xiàn)為正態(tài)分布。隨著壓力增大，液滴直徑集中區(qū)間向更小的方向偏移。圖7為各壓力下液滴的速度分布圖，可以看出液滴的速度主要分布在1～2 m/s處，以壓力1.25 MPa條件下的模擬結(jié)果為例，速度在5 m/s以上的液滴數(shù)量較少，液滴速度大多集中在1～4 m/s。另外也可以從圖7中看出，噴霧壓力越大，液滴速度分布最密集的區(qū)間向速度更大的方向偏移。

圖6 各壓力下液滴直徑分布

圖7 各壓力下液滴速度分布

液滴在霧化場(chǎng)軸向分布如圖8所示。液滴在剛進(jìn)入霧化場(chǎng)時(shí)其較小，隨后液滴的在噴嘴附近迅速增大。隨著液滴遠(yuǎn)離噴嘴，的大小趨于平穩(wěn)。

圖8 液滴SMD軸向分布

圖9是距噴嘴8 mm處截面速度云圖，從圖中更能直觀地看出液滴速度隨噴霧壓力的增大而增大。3個(gè)霧化場(chǎng)各自的中心處液滴速度最大。相比其他區(qū)域，干涉區(qū)中空氣的卷吸作用弱，質(zhì)量小、速度大的液滴不容易被卷吸走；而且液滴相互碰撞、聚合變大，液滴受到重力影響大，所以干涉區(qū)的液滴速度也比較大。

圖9 距噴嘴8 mm處截面速度云圖

4 結(jié)論

本文研究了在不同噴霧壓力下（1 MPa、 1.25 MPa、1.5 MPa）三噴嘴組的霧化特性，得到了如下結(jié)論：

（1）噴霧壓力增大，液滴速度增大。噴霧壓力增大，液滴的減小。

（2）液滴在剛進(jìn)入霧化場(chǎng)時(shí)其較小，但在噴嘴附近迅速增大，隨著液滴遠(yuǎn)離噴嘴，的增長(zhǎng)速度變緩趨于平穩(wěn)。

（3）不同噴霧壓力下的3個(gè)霧化場(chǎng)，分別在其各個(gè)噴嘴的中心處液滴速度達(dá)到最大，其次干涉區(qū)的液滴速度較大。

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Numerical Simulation of Atomization Characteristics of Nozzle Group under Variable Pressure Condition

WU Zhengren, ZHOU Xinyu, ZHANG Yameng

(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to study the atomization characteristics of nozzle group under different spray pressures, the software was modeled by GAMBIT, and the atomization of spray nozzles under different spray pressures (1 MPa, 1.25 MPa, 1.5 MPa) was simulated by FLUENT software.The results show that when the other conditions do not change, the spray pressure increases, the Sauter mean diameter () of droplet becomes smaller, the droplet velocity increases, and the droplet size distribution shifts to a smaller direction. The densest interval of droplet velocity distribution is more offset to the greater velocity. Theof droplet near the nozzle increases rapidly, and tends to be stable as the droplets are far away from the nozzle. The droplet velocity reaches the maximum at the center of each nozzle at the three atomizing fields under different spray pressures, followed by the larger droplet velocity in the interference zone.

spray cooling; atomization characteristics; nozzle group; pressure; numerical simulation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.009

TK05

A

1672-0792(2021)08-0067-06

2021-02-18

吳正人（1973—），男，副教授，主要研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用；

周鑫宇（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用；

張亞萌（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w動(dòng)力學(xué)理論及應(yīng)用。