楊曉毅，鄧曉剛

（1.重慶科技學(xué)院資產(chǎn)處，重慶 401331；2.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 401331）

1 引言

在很多場(chǎng)合下需要水射流出流液滴呈霧狀，比如噴霧降塵、降溫、涂裝等工作。在這些工作中，霧化噴嘴是工作的核心元件，直接決定了出口液滴粒徑的大小、均勻程度和分布區(qū)域。目前，為了增強(qiáng)霧化效果，降低出口液滴霧化的粒徑，增大液滴分布區(qū)域，通常有以下2種途徑[1]：①提高水射流壓力、增大流量來增強(qiáng)霧化效果，但這種方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低，增加能耗；②分析噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)，找到影響霧化效果的因素，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，從而提高射流霧化質(zhì)量。目前，已經(jīng)有許多新型霧化噴嘴投入工業(yè)化使用，比如旋轉(zhuǎn)射流噴嘴、扇形噴嘴、螺旋噴嘴和環(huán)孔霧化噴嘴等，但其霧化效果不理想，仍然存在一些問題，例如粒徑分布不穩(wěn)定，霧化范圍不夠?qū)挼?。?duì)現(xiàn)有的霧化噴嘴進(jìn)行分析，優(yōu)化霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)一步提高霧化效果有十分重要的意義。

自激振蕩脈沖射流[2]是一種新型高效的脈沖射流，不需任何外加激勵(lì)源，利用自激振蕩腔室的碰撞、反饋、激勵(lì)主射流的過程，將主射流調(diào)制為自激振蕩脈沖射流。受自激振蕩效應(yīng)的影響，氣核交替地膨脹和收縮，脈動(dòng)負(fù)峰值可使瞬時(shí)壓力降低，氣核發(fā)育時(shí)間明顯縮短，促使自激振蕩腔室內(nèi)的空化現(xiàn)象顯著發(fā)生。通過合理設(shè)計(jì)諧振腔的壁面約束，能夠控制混合流體的不穩(wěn)定邊界層中渦量脈動(dòng)的產(chǎn)生和發(fā)展，通過擾動(dòng)反饋來引導(dǎo)空化的能量參與諧振，從而對(duì)射流的不穩(wěn)定邊界層進(jìn)行撕裂破壞，使出口液滴粒徑減小，并增大擴(kuò)散面積[3-4]。本文擬對(duì)自激振蕩霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其在較低的噴射壓力下仍能提高射流的霧化效果，為自激振蕩霧化噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論支撐。

2 自激振蕩霧化噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算

2.1 自激振蕩脈沖噴嘴幾何模型

如圖1所示，自激振蕩噴嘴由自激腔體（諧振腔）、上噴嘴（諧振腔入口）、下噴嘴（諧振腔出口）和碰撞壁（諧振腔反饋面）組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括上噴嘴直徑（Di）、下噴嘴直徑（DO）、腔體長(zhǎng)度（L）、腔體直徑（D）以及碰撞壁錐面角度（α）。由文獻(xiàn)[2]，選取激振效果較好的一組噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm（此時(shí)，D/DO＝5.88，DO/Di＝2.13，L/D＝0.6）作為研究對(duì)象，對(duì)此噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過研究其脈沖特性及增壓效果來分析其用作霧化噴嘴的可行性。

圖1 自激振蕩噴嘴幾何模型

2.2 自激振蕩噴嘴內(nèi)部仿真計(jì)算

低壓自激脈沖射流的內(nèi)部流場(chǎng)屬于非定常的復(fù)雜多相流，仿真計(jì)算中湍流模型、多相流模型的離散化過程中的誤差比較大，且內(nèi)部瞬態(tài)流場(chǎng)變化頻率比較大，使用壓力、速度傳感器等檢測(cè)難度很大，且無法驗(yàn)證實(shí)際流場(chǎng)測(cè)試和仿真計(jì)算的正確性。為了研究自激振蕩脈沖霧化噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)，可以將自激振蕩腔室內(nèi)的多相流流場(chǎng)簡(jiǎn)化發(fā)生激振前的臨界單相流狀態(tài)，分析其脈沖特性是否有能增強(qiáng)噴嘴出口壓力，有利于噴嘴的霧化。由于自激振蕩腔室屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可將其處理為軸對(duì)稱模型，從而將三維流場(chǎng)簡(jiǎn)化為二維流場(chǎng)計(jì)算。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，對(duì)邊界層進(jìn)行加密處理，所劃分的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 自激振蕩噴嘴網(wǎng)格劃分

設(shè)定入口邊界條件為速度入口（Velocity-inlet），入口速度為50 m/s，垂直于進(jìn)口流場(chǎng)方向上的流體速度為零，入口壓強(qiáng)為絕對(duì)壓強(qiáng)1.5 Mpa。自激振蕩脈沖射流噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)必然會(huì)存在高強(qiáng)度的渦環(huán)、低雷諾數(shù)區(qū)和速度梯度較大的剪切層。標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型中包含了低雷諾數(shù)影響、可壓縮性影響和剪切流擴(kuò)散，適用于尾跡流動(dòng)、混合層、射流以及受壁面限制的流動(dòng)，所以，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型進(jìn)行計(jì)算。用FLUENT軟件對(duì)選定的噴嘴結(jié)構(gòu)Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，導(dǎo)入前面所劃分的網(wǎng)格文件，對(duì)噴嘴內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算，計(jì)算前設(shè)置湍流動(dòng)能、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)動(dòng)畫。通過對(duì)流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能、壓力和速度變化過程的模擬來分析噴嘴內(nèi)自激振蕩脈沖的生成過程，進(jìn)而討論所選噴嘴的脈沖特性和增壓效果。圖3所示的模擬結(jié)果為從0.02～0.08 s湍流動(dòng)能的變化過程。

圖3 從0.02～0.08 s湍流動(dòng)能的變化過程

湍流動(dòng)能是衡量湍流混合能力的重要參數(shù)，是考察湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)。圖3所示的湍動(dòng)能變化過程就是自激振蕩腔室內(nèi)的湍流呈周期性的衍變過程。在下噴嘴段調(diào)整區(qū)內(nèi)，湍動(dòng)能逐漸變小，表明調(diào)整區(qū)可以增強(qiáng)所形成的自激振蕩脈沖射流的穩(wěn)定性。

從仿真結(jié)果中還可看出，初始時(shí)刻噴嘴內(nèi)的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對(duì)擾動(dòng)的選擇性放大，一段時(shí)間后，難以形成周期性增大和減小的渦環(huán)，說明該噴嘴難以形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發(fā)次生渦，增加能量耗散。因此，可以從腔室結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)腔體進(jìn)行優(yōu)化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

3 優(yōu)化后的自激振蕩腔室結(jié)構(gòu)及仿真

初始時(shí)刻噴嘴內(nèi)的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對(duì)擾動(dòng)的選擇性放大，一段時(shí)間后，難以形成周期性增大和減小的渦環(huán)，說明該噴嘴難以形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發(fā)次生渦，增加能量耗散，所以，可以從腔室結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)腔體進(jìn)行優(yōu)化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

根據(jù)空化理論分析，當(dāng)腔體結(jié)構(gòu)合理時(shí)，腔內(nèi)僅存在一對(duì)渦環(huán)結(jié)構(gòu)，能形成有效頻率的情況下腔內(nèi)能量損失最小，可以產(chǎn)生最大的能量輸出，將這情況下的腔室內(nèi)壁曲線定為最佳內(nèi)壁形狀。進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化的目的，就是通過數(shù)值模擬方式探尋最佳腔體內(nèi)壁曲線，從而優(yōu)化腔室的結(jié)構(gòu)。

由文獻(xiàn)[5-7]可知，采用錐形上噴嘴時(shí)，可形成較為穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流，且增壓效果較好；采用雙圓弧上噴嘴時(shí)，增壓效果較好，但不能形成較穩(wěn)定的自激振蕩射流；采用三次曲線形上噴嘴時(shí)，增壓效果一般且形成的中心渦比較小，不利于脈沖的形成；優(yōu)化尖角部分的噴嘴周圍低速區(qū)會(huì)明顯減小，會(huì)減小能量損失。綜上所述，采用錐形上噴嘴時(shí)可明顯改善噴嘴的脈沖特性，這與陳林等的研究結(jié)論（當(dāng)壓力比較低時(shí)，上噴嘴為錐形流道的脈沖噴嘴特性比三次曲線和雙圓弧流道好）相似。為了得到霧化效果較好的自激振蕩脈沖噴嘴的結(jié)構(gòu)，綜合上述幾種優(yōu)勢(shì)特性，即在錐形上噴嘴的基礎(chǔ)上增加圓角，得到如圖4所示的優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖4 優(yōu)化后的自激振蕩噴嘴幾何模型

圖5優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08s湍流動(dòng)能的變化過程

優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴能形成穩(wěn)定的自激振蕩脈沖射流，腔內(nèi)渦環(huán)能周期性的增大和減小，湍動(dòng)能云圖中顯示出可以形成周期性變化的中心渦，但渦環(huán)的結(jié)構(gòu)比較小，對(duì)脈沖特性影響較大，壓力云圖顯示出有一定的增壓效果，能量耗散減小。優(yōu)化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08 s湍流動(dòng)能的變化過程如圖5所示。

4 結(jié)論

對(duì)自激振蕩噴嘴的原理進(jìn)行了分析，并通過數(shù)值模擬的方式對(duì)自激振蕩脈沖霧化噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了其脈沖特性的特點(diǎn)與需要改進(jìn)之處。

從傳統(tǒng)的自激振蕩脈沖射流的流場(chǎng)分析中得出了對(duì)增壓和自激振蕩霧化效果不利的因素，綜合幾種結(jié)構(gòu)改善措施，得出了優(yōu)化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)。

從仿真計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的自激振蕩頻率更穩(wěn)定，增壓效果更好。

本文僅完成了自激振蕩腔室的內(nèi)壁曲線對(duì)出口霧化結(jié)果的影響計(jì)算，未考慮進(jìn)口壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)，以及自激振蕩腔室長(zhǎng)徑比、上下噴嘴直徑比等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化，對(duì)自激振蕩脈沖霧化噴嘴出口的脈沖特性和增壓效果影響。

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