壓力旋流霧化噴嘴霧化特性的研究

江 超 虞 斌 李佳豪 呂 林

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院）

顆粒物污染不僅危害人體健康， 引發(fā)職業(yè)病，還會加速機(jī)械磨損、縮短精密儀器的使用壽命， 且在一定條件下極易發(fā)生粉塵爆炸事故，存在極大的安全隱患［1］。 因此如何有效解決粉塵問題，已成為社會廣泛關(guān)注的問題。

濕式除塵是目前普遍采用的降塵方式［2］，壓力旋流霧化噴嘴作為濕式除塵器的重要部件之一，因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、霧化性能優(yōu)異等特點(diǎn)被廣泛用于噴霧降塵領(lǐng)域。 近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量相關(guān)研究。 MUHAMMAD R等通過實(shí)驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)的壓力旋流噴嘴對霧化質(zhì)量的影響，得到旋流室最佳長徑比為3.75時，霧化質(zhì)量最佳［3］；WANG J P等使用PDPA噴霧測量系統(tǒng)，得到了霧滴隨著噴霧距離改變的空間分布情況［4］；王國輝等搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，隨著噴嘴前后壓差的增加，流量增加，霧化效果變好［5］。

然而，目前針對濕式除塵器壓力旋流霧化噴嘴的研究大多通過實(shí)驗(yàn)完成，成本高，耗時長，且難以直觀得到噴嘴內(nèi)部流場變化。 為此筆者結(jié)合工程實(shí)際，基于Fluent軟件，研究不同工況下霧化噴嘴的霧化流場特性變化，以期為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 噴嘴幾何結(jié)構(gòu)

壓力旋流霧化噴嘴由連接件、分流片、旋流片和霧化片4部分組成，噴嘴主要零部件尺寸如下：

噴嘴總長度L 24 mm

連接件直徑D 10 mm

分流片直徑R 5 mm

噴嘴出口直徑d 2 mm

壓力旋流霧化噴嘴的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力旋流霧化噴嘴的三維結(jié)構(gòu)

1.2 物理模型的構(gòu)建及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了更好地表現(xiàn)流體的運(yùn)動情況，筆者利用Spaceclaim軟件對壓力旋流霧化噴嘴進(jìn)行1∶1的三維模型繪制，并在噴嘴底部加上一個直徑50 mm、高50 mm的霧化場區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 流體域的三維模型

將幾何模型導(dǎo)入Fluent Meshing中，對整體采用Polyhedra體網(wǎng)格生成方法，并對噴嘴出口處進(jìn)行局部加密。 一般來說，在數(shù)值模擬計(jì)算中，網(wǎng)格數(shù)量會直接影響計(jì)算精度與效率，網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算周期越長，理論誤差越??；網(wǎng)格數(shù)量越少計(jì)算周期越短，離散誤差越大。 因此，為驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對仿真結(jié)果的影響， 分別以0.30、0.25、0.20、0.15 mm的最小網(wǎng)格尺寸對流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量為105 481、258 215、580 547、1 064 892，得到網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加（最小網(wǎng)格尺寸的減?。?，霧化錐角逐漸減小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到58萬以后，計(jì)算結(jié)果基本穩(wěn)定不變，考慮到計(jì)算結(jié)果精度和效率，最終選取網(wǎng)格數(shù)量為580 547進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

1.3 數(shù)學(xué)模型

壓力旋流霧化噴嘴的流體流動過程是典型的氣液兩相流動， 采用VOF模型對流場進(jìn)行仿真模擬［6］，并根據(jù)實(shí)際情況對問題進(jìn)行合理簡化，做出如下假設(shè)［7］：

a.流體為不可壓縮流體；

b.氣液兩相間不存在化學(xué)反應(yīng)和物理相變；

c.不考慮相間和相內(nèi)的熱交換；

d.整個流場為軸對稱定常流動。

式中 F——體積分?jǐn)?shù)；

Fj——表面張力產(chǎn)生的動量方程源項(xiàng)；

gi——i方向上的重力加速度；

p——壓強(qiáng)；

t——時間；

u——速度；

ui、uj——i、j方向上的速度分量；

ui1、ui2——單元中第i1、i2相的速度分量；

ρ——密度；

ρ1、ρ2——單元中第1、2相的密度。

1.4 邊界條件設(shè)置

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中， 選擇基于壓力基求解器的求解方法，先通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法獲得初始穩(wěn)定流場，然后以此作為后續(xù)計(jì)算的初始值進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，設(shè)置z軸正方向?yàn)橹亓Ψ较颍琯取值為9.81 m/s2。 選取VOF模型，設(shè)置空氣為第1相，水為第2相；入口邊界條件設(shè)置為壓力入口，設(shè)置液相體積分?jǐn)?shù)為1（即入口流入全為水）；壁面設(shè)置為靜止無滑移壁面， 壁面表面粗糙常數(shù)設(shè)為0.5；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，表壓為0（等于外界大氣壓），設(shè)置液相回流體積分?jǐn)?shù)為0（即回流全為空氣），根據(jù)實(shí)際計(jì)算湍流強(qiáng)度與水力直徑。

2 結(jié)果分析

2.1 噴嘴內(nèi)部流場特性分析

壓力噴嘴內(nèi)部由于水流的高速流動，使噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生壓降，甚至出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，產(chǎn)生空氣回流，形成空氣芯［8，9］。而空氣芯有利于液膜的撕裂，從而提高整體霧化質(zhì)量，因此探究空氣芯的存在與否對噴嘴霧化效果至關(guān)重要。

圖4是工作壓力2 MPa時，不同時刻噴嘴的氣液兩相分布變化，圖中紅色代表此處流體為水且體積分?jǐn)?shù)為1， 藍(lán)色代表此處流體為空氣且體積分?jǐn)?shù)為1。 由于初始化時將入口水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0［10］，即視噴嘴初始狀態(tài)下內(nèi)部全為空氣，故在初始階段藍(lán)色占云圖的大部分。 0.002 s時液體到達(dá)噴嘴出口處，如圖5所示，由于旋流片中心區(qū)域液體速度遠(yuǎn)小于噴嘴中的直射速度，導(dǎo)致旋流片中心區(qū)域的壓力小于旋流片外側(cè)區(qū)域，形成空氣芯。 隨著時間變化，液體逐漸充斥整個噴嘴，到0.008 s時，噴嘴內(nèi)部流動逐漸穩(wěn)定，但空氣芯仍存在于噴嘴內(nèi)部未曾消失，此時整個流場的氣液分布趨于穩(wěn)定，不再隨時間發(fā)生明顯變化。

圖4 軸向截面氣液體積分布圖

圖5 0.002 s時旋流片截面流場分布圖

可以看出， 壓力旋流霧化噴嘴存在空氣芯，且由于空氣芯的存在， 噴嘴出口處液膜厚度降低，液膜在空氣芯的作用下拉伸破碎，使噴嘴整體霧化效果提高，符合噴霧降塵的應(yīng)用需求。

2.2 噴嘴出口速度場分析

噴嘴的霧化性能指標(biāo)主要包括噴霧射程、霧化錐角、霧滴粒徑等，而這些霧化性能指標(biāo)均與噴嘴出口速度相關(guān)。 為探究相關(guān)因素影響，筆者構(gòu)建了出口直徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm的噴嘴模型， 并以上述邊界條件設(shè)置進(jìn)行求解，結(jié)果如圖6所示。 由圖6a可知， 當(dāng)工作壓力一定時，噴嘴出口處的軸向速度隨出口直徑的增加而減?。划?dāng)噴嘴直徑一定時，隨工作壓力的遞增，噴嘴出口處軸向速度逐漸增大，而出口處軸向速度越大，液體慣性力越大，對應(yīng)的韋伯?dāng)?shù)越大，霧滴越容易破碎，霧化效果越好，噴霧射程越遠(yuǎn)。 不同出口直徑對應(yīng)的軸向速度隨工作壓力變化趨勢相同，工作壓力從2 MPa增加到8 MPa時，壓力每提高1 MPa， 噴嘴出口處的軸向速度分別增加22.23%、15.48%、11.74%、9.52%、8.04%、6.92%，可見軸向速度在工作壓力為4～6 MPa時，速度增量開始趨緩。 考慮到整個流場為軸對稱定常流動，由圖6b、c可知，隨著噴嘴工作壓力和出口直徑的變化，出口處的切向速度與徑向速度變化都不明顯， 這是由于噴嘴出口處在離心力的作用下， 噴嘴壁面對噴射流體存在一定的束縛作用，從而約束了出口處切向速度與徑向速度的發(fā)展。

圖6 不同出口直徑下噴嘴出口速度與工作壓力的關(guān)系

2.3 工作壓力及出口直徑對霧化錐角的影響

文獻(xiàn)［11］給定的霧化錐角θ的計(jì)算式如下：

式中 v切、v徑、v軸——出口處液膜切向、 徑向、軸向速度。

根據(jù)式（6），得到不同工作壓力和出口直徑下的霧化錐角如圖7所示。 由圖7可知，當(dāng)噴嘴出口直徑相同時， 霧化錐角隨壓力變化不明顯；當(dāng)工作壓力一定， 噴嘴出口直徑在1～2 mm之間時，霧化錐角隨出口直徑的增大而增大，呈線性變化趨勢，且當(dāng)噴嘴出口直徑為2 mm時霧化錐角達(dá)到最大值，這與文獻(xiàn)［12］所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；當(dāng)噴嘴出口直徑大于2 mm時， 霧化錐角基本保持不變， 這是因?yàn)殡S著噴嘴出口直徑的進(jìn)一步增大，各速度分量比重基本保持不變。 通過以上分析并結(jié)合工程實(shí)際來看， 當(dāng)噴嘴出口直徑較小時，噴霧降塵過程中極易發(fā)生堵塞現(xiàn)象；當(dāng)噴嘴出口直徑較大時，容易造成水資源的浪費(fèi)，違背節(jié)能減排的基本原則。 綜上，在實(shí)際應(yīng)用中宜選擇直徑為2 mm的壓力旋流霧化噴嘴。

圖7 不同工作壓力和出口直徑對霧化錐角的影響

3 結(jié)論

3.1 基于Fluent軟件VOF模型， 筆者研究了壓力旋流霧化噴嘴在工作壓力為2 MPa時， 不同時刻下內(nèi)部流場的變化，發(fā)現(xiàn)空氣芯始終存在于噴嘴內(nèi)部，因此其符合噴霧降塵的應(yīng)用需求。

3.2 噴嘴出口處的軸向速度在速度場中起決定性作用，且在工作壓力為4～6 MPa時，速度增量開始趨緩，故綜合考慮生產(chǎn)成本和霧化性能的情況下，在實(shí)際應(yīng)用中，宜選用4～6 MPa作為壓力旋流霧化噴嘴的工作壓力。

3.3 當(dāng)噴嘴出口直徑相同時，霧化錐角隨壓力變化不大；當(dāng)工作壓力一定，在噴嘴出口直徑為1～2 mm之間時， 霧化錐角隨出口直徑的增大而增大，且當(dāng)噴嘴出口直徑為2 mm時霧化錐角達(dá)最大值；當(dāng)噴嘴出口直徑大于2 mm時，霧化錐角基本不變。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中宜選擇直徑2 mm的壓力旋流霧化噴嘴。