陸洪杰，甘樹坤，呂雪飛

(吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

噴嘴是農(nóng)業(yè)用噴霧、植被冷卻及除塵機(jī)械的重要終端組成要素之一，噴霧設(shè)備的噴霧方法及性能直接影響液態(tài)大小、速度及流量分布.由于噴霧性能及噴霧條件的限制，噴霧工程中很容易出現(xiàn)資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問(wèn)題[1-6].噴霧的節(jié)能環(huán)保、原子化、低成本，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前深入研究的熱點(diǎn).

運(yùn)用超音速進(jìn)行霧化的是超細(xì)水霧技術(shù)發(fā)展的重要研究方向，拉瓦爾霧化噴嘴的高速、高能量這兩大特點(diǎn)使其普遍受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.Gerdroodbary等[7]對(duì)氫氣混合超音速噴嘴的內(nèi)部構(gòu)造以及混合霧化機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，得出導(dǎo)致混合效果好壞的主要原因是斜激波；Nagao等[8]對(duì)拉瓦爾噴嘴擴(kuò)張段的剪切層非平衡壓縮進(jìn)行了探究，說(shuō)明噴嘴的卷吸作用主要是由剪切層非平衡壓縮產(chǎn)生的；Hemidi等[9]對(duì)超音速空氣噴射器進(jìn)行了數(shù)值仿真，表明在所有參數(shù)都保持一致的情況下，k-ε模型的精確率是最高的，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相匹配；祖洪彪等[10-14]對(duì)拉瓦爾超音速氣體霧化噴嘴的氣體振動(dòng)特性方面進(jìn)行了深入研究.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)拉瓦爾噴霧噴嘴的研究主要還集中在粉末冶金及燃料的噴霧上，對(duì)超微細(xì)水噴霧的研究幾乎沒有.因此，為進(jìn)一步改善噴霧性能，從而改善拉瓦爾噴嘴內(nèi)部的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)，提高其性能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，分析改善前后噴嘴的噴霧性能，并研究在不同的工作參數(shù)下對(duì)拉瓦爾噴嘴霧化影響.

1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算和結(jié)構(gòu)參數(shù)配比

首先進(jìn)行流體馬赫數(shù)計(jì)算，根據(jù)馬赫數(shù)對(duì)拉瓦爾管其余主要結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴進(jìn)口直徑d1、出口噴嘴直徑d2、喉管直徑d3、收縮段長(zhǎng)度l，以及擴(kuò)張段長(zhǎng)度l2進(jìn)行計(jì)算.采用d2/d1、d3/d2、l1/d2，3個(gè)無(wú)量綱量來(lái)對(duì)拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).另外傳統(tǒng)型噴嘴的總長(zhǎng)度為35～40 mm，定義噴嘴總長(zhǎng)度為37 mm.物理模型如圖1所示.

圖1 拉瓦爾噴嘴物理模型

1.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1.1.1 馬赫數(shù)的確定

馬赫數(shù)體現(xiàn)氣體的流動(dòng)速度與當(dāng)?shù)匾羲僦?，是突出流?chǎng)壓縮性大小的無(wú)量綱參數(shù)，也是高速空氣動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要參數(shù)，能夠反映出流場(chǎng)壓縮性大小的常量.

在拉瓦爾噴嘴中，流體的流動(dòng)屬于可壓縮流動(dòng)，在拉瓦爾管中為將問(wèn)題簡(jiǎn)化，理論上通常按一維等熵流計(jì)算.

高速一維等熵流，在流線上任一點(diǎn)的總溫和總壓均相等，由公式[6]可得：

(1)

(2)

(3)

T0：拉瓦爾噴嘴進(jìn)口處工作介質(zhì)的溫度，K(設(shè)為300)；P0：噴嘴進(jìn)口處工作介質(zhì)的壓力.

在高速一維等熵的流動(dòng)情況下，沿流線某點(diǎn)處的流速恰好與此時(shí)的聲速相等，此點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，由公式[6]可得：

(4)

(5)

(6)

如果在一定的情況下將速度變?yōu)榱悖玫降膮?shù)為滯止參數(shù)[6].

(7)

(8)

(9)

拉瓦爾噴嘴的馬赫數(shù)和壓力比關(guān)系為[6]：

(10)

Ma：馬赫數(shù)；PC：出口氣體壓強(qiáng).

根據(jù)熱力學(xué)公式設(shè)計(jì)的拉瓦爾馬赫數(shù)為1.928.

1.1.2 噴管擴(kuò)張段尺寸計(jì)算

拉瓦爾擴(kuò)張尺寸可用以下公式計(jì)算得到[11]：

(11)

A*：臨界狀態(tài)下的截面積.

得到擴(kuò)張段直徑d1=10 mm，由于擴(kuò)張段使達(dá)到聲速的氣流進(jìn)一步達(dá)到超聲速，擴(kuò)張角經(jīng)驗(yàn)取值在5°～8°，擴(kuò)張角過(guò)小，氣流擴(kuò)張路程較長(zhǎng)，能量損失加大，擴(kuò)張角過(guò)大，影響速度.

擴(kuò)張段長(zhǎng)度計(jì)算[11]：

(12)

根據(jù)公式可以得到擴(kuò)張段長(zhǎng)度為9～13 mm.

1.1.3 噴管收縮段尺寸計(jì)算

已知拉瓦爾噴嘴總長(zhǎng)度為37 mm，由于計(jì)算得出擴(kuò)張段的長(zhǎng)度大小為9～13 mm，所以收縮段的長(zhǎng)度為24～28 mm.收縮段會(huì)使氣體在亞音速狀態(tài)下加速到聲速，為使氣流穩(wěn)定加速一般錐角取值在30°～60°.根據(jù)公式[12]：

(13)

質(zhì)量流量公式[12]：

(14)

A0=G/ρ/V，

(15)

公式(13)、(14)、(15)聯(lián)立得出收縮段直徑的取值范圍為d3=14～20 mm.

1.1.4 噴管喉管尺寸計(jì)算

依據(jù)拉瓦爾噴嘴高速一維等熵流動(dòng)特性，則氣流在喉管處的速度一定超過(guò)一倍音速，設(shè)定噴嘴出口處面積為Sout，噴嘴喉管截面積為S，則有[12]：

(16)

γ：氣體絕熱指數(shù).

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)配比

為了獲取各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳條件，本研究結(jié)合噴嘴的具體特性設(shè)計(jì)了研究方案.首先固定出口直徑d1=10 mm，采用3種喉管直徑d2=3 mm、5 mm、7 mm，4種進(jìn)口直徑d3=14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，5種收縮管長(zhǎng)度l=24mm、25 mm、26 mm、27 mm、28 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，選取20種典型工況進(jìn)行交叉數(shù)值分析.各工況結(jié)構(gòu)參數(shù)配比詳見表1.

表1 拉瓦爾噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

射流初期階段，流場(chǎng)在收縮段逐漸加速，在達(dá)到喉管部分時(shí)速度接近于音速，經(jīng)過(guò)喉管處之后，速度就由音速達(dá)到超音速，擴(kuò)張段速度逐漸加大.當(dāng)噴射速度相對(duì)較大時(shí)，噴嘴的射流效果會(huì)更好.通過(guò)流場(chǎng)仿真的壓力云圖和速度矢量圖可以顯示速度和壓力的變化情況.

2.1 喉管直徑對(duì)噴嘴射流速度的影響

保證l、d3/d1不變，改變喉管直徑d2，把工況為(1)、(2)、(3)、(6)、(11)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取出相對(duì)有代表性的3種工況進(jìn)行比較.較好的速度有利于有效動(dòng)能的輸出，同時(shí)可以產(chǎn)生很好的射流效果.由圖2所示仿真結(jié)果，可以得出在d2/d3=0.19時(shí)可以產(chǎn)生良好的射流效果.

2.2 入口直徑對(duì)噴嘴射流速度的影響

保證l/d2不變，改變d3/d1，把工況情況為(1)、(2)、(3)、(6)、(11)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.選取出相對(duì)有代表性的4種工況進(jìn)行比較，由圖3所示仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論d3/d1=1.61.8之間可以產(chǎn)生良好的射流效果.

2.3 收縮段長(zhǎng)度對(duì)噴嘴射流速度的影響

保證d2/d3、d3/d1不變，改變l/d2，把工況情況為(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.選取出相對(duì)有代表性的3種工況進(jìn)行比較，由圖4可以看出噴管的射流速度隨著收縮段長(zhǎng)度的變化而變化，在速度相對(duì)較大且穩(wěn)定時(shí)，其輸出的射流動(dòng)能最大.可以得出結(jié)論在l/d2=5.2時(shí)可以產(chǎn)生良好的射流效果.

圖2 喉管直徑變化仿真的壓力與速度矢量云圖

圖3 入口直徑變化仿真的壓力與速度矢量云圖

圖4 收縮段長(zhǎng)度變化仿真的壓力與速度矢量云圖

3 結(jié) 論

應(yīng)用Fluent仿真軟件，以拉瓦爾噴嘴腔體全尺寸結(jié)果為研究對(duì)象，對(duì)不同尺寸下的拉瓦爾噴嘴進(jìn)行的流場(chǎng)模擬仿真，獲得以下結(jié)論:要獲得良好的射流效果，必須使噴管結(jié)構(gòu)的4大參數(shù)(l、d1、d2、d3)相互配合，設(shè)定合理的參數(shù)比，本研究通過(guò)仿真得出在d2/d3=0.19、d3/d1=1.61.8、l/d2=5.2時(shí)，噴嘴可以產(chǎn)生相對(duì)的良好的射流效果.