摘 要：本文基于Fluent商業(yè)軟件的VOF模型對(duì)噴嘴內(nèi)腔氣液兩相流動(dòng)的數(shù)值進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與公開發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上分析進(jìn)氣口數(shù)量、噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)及氣液比對(duì)氣液兩相流型的影響，討論有利于獲得穩(wěn)定環(huán)狀流的噴嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式和氣液比范圍。

關(guān)鍵詞：氣泡霧化;數(shù)值模擬;氣液兩相流動(dòng)

中圖分類號(hào)：O35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0071-05

1 研究背景

氣泡霧化噴嘴是由Lefebvre在20世紀(jì)80年代末期最先提出的。其工作原理是：氣體以略高于液體壓力的方式注入混合腔內(nèi)，形成穩(wěn)定的氣泡流動(dòng)，氣體的介入首先加強(qiáng)了出口處液體的流速，然后氣泡會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生擠壓和剪切作用，使液體以包含微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，接著氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化會(huì)促使其急劇膨脹直至破裂，從而將包裹的液膜進(jìn)一步破碎為更細(xì)微的液霧顆粒。與壓力式噴嘴及兩相流噴嘴相比，氣泡霧化只需要體積很小的混合腔，故氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，同時(shí)又具有低能耗、高霧化品質(zhì)、霧化質(zhì)量受液體黏度影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。

Petersen研究了噴嘴出口、混合室尺寸及流體性質(zhì)對(duì)霧化效果的影響[1];Rahman和Panchagnula等人研究了液滴速度的軸向分布及ALR對(duì)霧化效果的影響[2，3];Ariyapadi等人對(duì)液滴軸向速度和均方根速度的分布特性進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到速度擬合曲線[4]。馬培勇[5]和梁雪萍[6]等人認(rèn)為混合室長度處于一定范圍內(nèi)才能產(chǎn)生較好的霧化效果;王乃華等人對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，平均霧滴粒度受到氣液質(zhì)量比和濃度的影響較大[7]。氣泡霧化噴嘴的相關(guān)國內(nèi)外研究一般集中于對(duì)噴嘴外部流場(chǎng)的測(cè)量分析，未涉及噴嘴內(nèi)部流型的計(jì)算預(yù)測(cè)。

為觀察噴嘴內(nèi)部流體特性變化，美國Taiteeh公司的Lin等人使用兩片石英玻璃制作了一個(gè)矩形的氣泡霧化噴嘴以觀察噴嘴內(nèi)部的兩相流動(dòng)，他們對(duì)噴嘴內(nèi)部氣液交界面進(jìn)行拍攝并進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)，混合腔內(nèi)的氣液兩相流流型及所對(duì)應(yīng)的外部霧化結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，混合腔內(nèi)的氣液兩相流流型基本可以分為泡狀流、塊狀流、彈狀流和環(huán)狀流這四類典型流型。

對(duì)圖1中各流型的霧化效果進(jìn)行觀察，可以直觀地看出，塊狀流和彈狀流無法得到穩(wěn)定的外部霧場(chǎng)，而泡狀流和環(huán)狀流則可取得較好的霧化結(jié)果，并且這四類流型中，環(huán)狀流相對(duì)于其他流型而言可以產(chǎn)生直徑更小的液滴，即產(chǎn)生更好的霧化效果。

本文對(duì)混合腔管的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，通過Fluent仿真得到混合腔管內(nèi)部流型圖，比較不同結(jié)構(gòu)下的內(nèi)部流型，以研究混合腔管的結(jié)構(gòu)對(duì)霧化噴嘴在一定時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定的環(huán)狀流的影響。本文對(duì)混合腔管結(jié)構(gòu)做出如下改變：在氣液比增加相同的情況下，觀察較多注氣孔對(duì)霧化結(jié)果的影響;縮小噴嘴出口附近的管徑，在相同進(jìn)氣流量下與初始結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)部的氣液體積情況進(jìn)行比較。

2.2 物理模型和網(wǎng)格劃分

混合腔內(nèi)部的氣泡兩相流型變化反映了氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)特性，將混合腔氣液混合區(qū)選取為仿真計(jì)算的計(jì)算域，根據(jù)對(duì)稱性，取混合區(qū)的一半作為計(jì)算域以便提高計(jì)算效率。

計(jì)算域的網(wǎng)格劃分是通過ANSYS軟件自帶的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD進(jìn)行的，采用具有四面體和六面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格（主要為四面體），劃分結(jié)果如圖4所示。為取得較好的仿真結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)量最終確定為11萬，并加密了注氣孔及附近位置網(wǎng)格，混合腔壁采用邊界層網(wǎng)格。

從圖6可知，此時(shí)的兩相流型已經(jīng)穩(wěn)定，并且注氣孔中氣體在進(jìn)入混合腔后形成直徑2mm左右的氣泡，氣泡隨著液體以一定速度向噴嘴出口運(yùn)動(dòng)，這些氣泡處于離散狀態(tài)，該狀態(tài)是由氣液比較小所導(dǎo)致的氣體質(zhì)量流量較小而決定的。同時(shí)，分析仿真視頻可知，生成一個(gè)氣泡所需的時(shí)間大約為6～7ms。隨著氣泡不斷生成，由于下游的注氣孔形成的其他氣泡與混合腔上方所產(chǎn)生的氣泡相遇并合并，導(dǎo)致氣泡沿混合腔軸向逐漸增大。

這一過程同黃鑫所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到的結(jié)果基本一致，因此該仿真可以真實(shí)反映噴嘴混合腔管內(nèi)部的兩相流型。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)改變噴嘴混合腔管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)不同氣液比下的兩相流型進(jìn)行仿真。

氣泡霧化噴嘴內(nèi)部混合腔管為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，混合腔管的對(duì)稱面可以很好地反映內(nèi)部混合腔管的兩相流型。對(duì)氣泡霧化噴嘴內(nèi)部混合腔中的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，以中間對(duì)稱面上兩相流形態(tài)結(jié)果為對(duì)象進(jìn)行分析。初始結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的仿真結(jié)果及分析如下所述。

3.1 初始結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算結(jié)果及其分析

圖7為兩相流型圖。由圖7可知，混合腔管內(nèi)部在一段時(shí)間后可以形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，且環(huán)狀流具有周期性，這是由混合腔管內(nèi)部壓力不斷變化所導(dǎo)致的。具體過程為，首先在噴嘴混合腔管內(nèi)部形成環(huán)狀流，并產(chǎn)生體積較大的氣泡，氣泡導(dǎo)致腔管內(nèi)部壓力降低，液體不斷涌入腔管內(nèi)部，對(duì)氣泡造成擠壓，隨著涌入的液體量不斷增加，氣泡間重新形成液體界面，并最終呈現(xiàn)周期性。

表2給出了初始結(jié)構(gòu)的注氣孔不同注入氣體的速度下形成穩(wěn)定周期所需的時(shí)間，且在不同工況下兩氣泡間間隔分別為18、15.4、13.5ms和12.7ms。

通過分析仿真結(jié)果可以得出：增加進(jìn)氣速度，即增大氣體質(zhì)量流量，氣液比ALR增大，使噴嘴混合腔管內(nèi)部的流體流型由泡狀流逐步變成環(huán)狀流，且環(huán)狀流兩氣泡間隔時(shí)間逐步縮短，可以提高噴嘴的霧化效果。

3.2 結(jié)構(gòu)1的仿真結(jié)果及其分析

結(jié)構(gòu)1的混合腔管同初始結(jié)構(gòu)相比，進(jìn)氣孔數(shù)量增加1倍，即在相同的進(jìn)氣速度下，噴嘴的進(jìn)氣流量是初始結(jié)構(gòu)的2倍，氣液比ALR也是初始結(jié)構(gòu)的2倍。計(jì)算得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

由仿真所得的兩相流型圖可知，增加進(jìn)氣孔數(shù)量后，分析數(shù)值模擬得到的混合腔管內(nèi)部?jī)上嗔髁餍鸵曨l，不同進(jìn)氣速度下形成較為穩(wěn)定的環(huán)狀流所需時(shí)間見表2。觀察兩相流型圖，在混合腔管上半部分可以形成較多體積較小的氣泡，氣泡隨液體向下運(yùn)動(dòng)，在靠近噴嘴出口處集聚成一個(gè)大氣泡，且隨著進(jìn)氣速度的增加，大氣泡的體積有越來越大的趨勢(shì)。以上分析表明，進(jìn)氣速度的增加可以延長環(huán)狀流的維持時(shí)間，進(jìn)而使噴嘴外部能長時(shí)間保持較好的霧化狀態(tài)。

3.3 結(jié)構(gòu)2的計(jì)算結(jié)果

混合腔管結(jié)構(gòu)2與初始結(jié)構(gòu)相同，均具有三排注氣孔，其區(qū)別在于，混合腔管結(jié)構(gòu)2的噴嘴腔管在靠近出口端的管徑減小。由于注氣孔結(jié)構(gòu)相同，在相同的進(jìn)氣速度下，混合腔管結(jié)構(gòu)2與初始結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣流量以及氣液比ALR相同。結(jié)構(gòu)2混合腔管在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的內(nèi)部流型圖見圖9。

結(jié)構(gòu)2能形成穩(wěn)定周期的環(huán)狀流所需時(shí)間見表2。很顯然，在相同的進(jìn)氣流量條件下，結(jié)構(gòu)2比初始結(jié)構(gòu)的混合腔管更早形成穩(wěn)定的環(huán)狀流，且兩氣泡間隔時(shí)間也較短。因此，縮小靠近出氣口一側(cè)的管徑的噴嘴結(jié)構(gòu)有助于提高噴嘴的霧化效果。

4 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)氣泡通過噴嘴出口時(shí)，液體受到氣體的擠壓和剪切作用，以包含大量微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，在距離噴口極小的距離處，由于氣泡內(nèi)外壓差的劇烈變化，而促使其急劇膨脹直至破裂，同時(shí)將包裹在其周圍的液膜進(jìn)一步破碎，形成更加細(xì)微的顆粒群。因此，霧化發(fā)生在氣泡通過噴嘴出口的時(shí)段，噴嘴的霧化效果由氣泡通過噴嘴出口的時(shí)間同混合腔管穩(wěn)定后形成環(huán)狀流的周期的時(shí)間比值共同決定。Lund在1993年提出了一個(gè)計(jì)算索特平均直徑的Lund公式，公式如下：

4.1 氣泡通過噴嘴出口處時(shí)間占總時(shí)間的比值

由上述分析可知，霧化現(xiàn)象發(fā)生在氣泡通過噴嘴出口的時(shí)段。因此，氣泡通過噴嘴的時(shí)間占總時(shí)間的比值直接決定了霧化時(shí)間的長短。圖10為混合腔管在不同結(jié)構(gòu)下隨著氣液比變化的環(huán)狀流型時(shí)間百分比曲線。

由該曲線可知，隨著氣液比的增加，三種結(jié)構(gòu)下的環(huán)狀流時(shí)間所占比值都是增加的。在較低的氣液比下，初始結(jié)構(gòu)的霧化效果較好，但隨著氣液比的增加，初始結(jié)構(gòu)環(huán)狀流時(shí)間所占比值明顯小于另外兩種結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)1的環(huán)狀流時(shí)間所占比值在相同氣液比下要大于結(jié)構(gòu)2。

相同氣液比下，使氣體經(jīng)過更多的注氣孔進(jìn)入混合腔管中能形成更加穩(wěn)定的環(huán)狀流;縮小噴嘴出口附近的管徑也可以在一定程度上提高環(huán)狀流的穩(wěn)定性，提高環(huán)狀流時(shí)間所占的比值，即得到更好的霧化效果。

4.2 噴嘴出口處的含氣率

霧化過程是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，現(xiàn)今并沒有一套完全令人信服的理論用于描述霧化過程。Lefebvre認(rèn)為，霧化可分為圖11所示的6個(gè)過程：流體在噴嘴出口附近形成液膜，產(chǎn)生波動(dòng)后形成液線，然后破碎成較大的液滴，再破碎成較小的液滴，最后小液滴又會(huì)凝聚，發(fā)生二次破碎。

由上述的公式（3）可知，噴嘴出口處的液膜厚度與霧化形成的液滴直徑成正比，而噴嘴出口處的含氣率對(duì)出口處的液膜厚度具有較大影響。

由于噴嘴出口處的氣液相對(duì)速度是不斷變化的，那么出口處的含氣率也是不斷變化，因此我們選取含氣率較為穩(wěn)定的一段時(shí)間的平均值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖12為三種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴在不同氣液比下的含氣率變化。

從圖12中的曲線圖可知，三種結(jié)構(gòu)的噴嘴，其噴嘴出口處的含氣率都與氣液比成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，氣液比通常大于0.05。根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果，在氣液比大于0.05的情況下，相較于其他兩種結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1的含氣率明顯更大。而初始結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)2在氣液比處于0.05到0.08之間時(shí)，兩者的含氣率相差不大，氣液比大于0.08時(shí)，結(jié)構(gòu)2的含氣率要大于初始結(jié)構(gòu)。

在氣液比小于0.1的情況下，三種噴嘴含氣率都明顯增長，大于0.1后則趨于平緩?？紤]到噴嘴霧化的經(jīng)濟(jì)性，可將氣液比定在稍大于0.1的值附近。

本文采用Fluent對(duì)不同結(jié)構(gòu)的氣泡霧化噴嘴進(jìn)行仿真運(yùn)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知：增加噴嘴的進(jìn)氣孔數(shù)量和縮小噴嘴出口附近的管徑對(duì)提高噴嘴的霧化效果都具有有利影響，一方面可以提高噴嘴發(fā)生穩(wěn)定霧化的時(shí)間，另一方面可以得到更好的霧化效果。因此，在滿足制造工藝所需條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過增加進(jìn)氣孔數(shù)量及縮小噴嘴出口附近管徑對(duì)噴嘴進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Petersen F J，W?rts O， Schaefer T， et al. Design and Atomization Properties for an Inside-out Type Effervescent Atomizer[J]. Drug Development amp; Industrial Pharmacy， 2004（3）：319-326.

[2]Rahman M，Amirfazli A，Heidrick T， et al. An Experimental Study of the Atomization of Two-phase Industrial Nozzle[C]// Proceeding of the International Conference on Mechanical Engineering 2007. Dhaka， Bangladesh，2007.

[3] Panchagnula M V， Sojka P E. Spatial Droplet Velocity and Size Profiles in Effervescent Atomizer-produced Sprays[J]. Fuel， 1999（6）：729-741.

[4]Ariyapadi S， Balachandar R， Berruti F. Spray charactcristics of two-phase feed nozzles [J]. The Ganadian Journal of Chemical Engineering， 2003（8）：923-939.

[5]馬培勇，仇性啟，崔運(yùn)靜.氣泡霧化噴嘴試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備，2006（1）：12-15.

[6]梁雪萍，郭志輝，徐行，等.氣泡霧化水平噴射的霧化特性研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（1）：24-27.

[7]王乃華，駱仲泱，岑可法.半干法煙氣脫硫噴嘴的霧化特性研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2003（4）：348-352.

[8]黃鑫.氣泡霧化細(xì)水霧滅火有效性模擬研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.