楊玉昆 ，金向陽(yáng)，2，白鵬程 ，施 法 ，王莎莎 ，董子昂 ，林 晶,2，王加國(guó)

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院， 哈爾濱150028；2.虛擬制造技術(shù)福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 泉州362000；3.黑龍江省乾升冰雪設(shè)備制造有限公司， 哈爾濱 150028)

目前，在生產(chǎn)與生活中噴霧都得到了廣泛的應(yīng)用.例如空氣消毒、空氣加濕、噴墨打印、霧化干燥、農(nóng)藥噴灑、農(nóng)業(yè)灌溉、燃料霧化等都用到了液體霧化技術(shù).

霧化是指通過(guò)各種方式將連續(xù)的液體或液固混合物轉(zhuǎn)變成離散的液滴或固體顆粒的過(guò)程[1].噴嘴是將連續(xù)流體介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散液滴的最小工作單元[2],噴嘴種類很多，噴嘴的結(jié)構(gòu)和噴射特點(diǎn)決定了其用途和霧化效果[3].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同方面對(duì)噴嘴霧化效果的影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，例如張永良等[4]通過(guò)光學(xué)手段對(duì)透明玻璃材質(zhì)的離心式噴嘴內(nèi)部填充過(guò)程進(jìn)行了可視化監(jiān)測(cè).劉祺等[5]利用高速攝像機(jī)和Labview 軟件編輯控制程序協(xié)同工作，結(jié)合陰影法與紋影法進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，捕捉了航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心式噴嘴在高溫高壓定容彈內(nèi)的宏觀噴霧過(guò)程.王家俊等[6]利用利用相位多普勒粒子測(cè)量技術(shù)(PDPA)測(cè)量了沿流向距離離心噴嘴出口30 mm平面上的油霧特性，并利用激光粒度分析儀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證.Kim等[7]利用高速攝影和相位多普勒粒子分析儀(PDA)，以水為模擬工質(zhì)，圍繞噴射壓力和幾何結(jié)構(gòu)的變化對(duì)同軸旋流噴注器霧化參數(shù)的影響進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，得到了液膜破碎長(zhǎng)度、噴霧錐角、噴注器下游液滴速度分布和索特爾平均直徑(SMD)的變化規(guī)律.Sivakumar 等[8]利用高速攝影和馬爾文(Malvern)激光粒度儀，以水為模擬工質(zhì)，研究了不同流量下同軸旋流噴注器內(nèi)外路射流的匯合和分離過(guò)程.Alves 等[9]將加入熒光劑的水作為模擬工質(zhì)，通過(guò)制作集液裝置研究同軸旋流噴注器入口結(jié)構(gòu)對(duì)推進(jìn)劑混合效率的影響.實(shí)驗(yàn)研究也存在一些問(wèn)題，如圖像可讀性差，無(wú)法讀取到更多更細(xì)致的有效信息，實(shí)驗(yàn)可實(shí)施性差等.

許多學(xué)者選擇利用數(shù)值模擬進(jìn)行仿真分析，陳晨等[10]采用兩相界面追蹤方法VOF(volume of fluid)模擬了噴嘴內(nèi)部及近噴口區(qū)域流動(dòng)過(guò)程，計(jì)算得到的噴霧角和試驗(yàn)結(jié)果偏差不超過(guò)2%.王凱[11]等基于Coupled Level Set+VOF，計(jì)算模擬了兩種離心噴嘴的內(nèi)部流動(dòng)，分析了噴嘴內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程及特征.宋大亮等[12]利用VOF方法和RNG雙方程湍流模型，將噴嘴出口處的一段納入計(jì)算域，利用數(shù)值模擬的方法計(jì)算分析了全流場(chǎng)的流動(dòng)特性及噴霧特性.仇濤等[13]利用雙方程湍流模型(Realizablek-ε)和組分傳輸模型對(duì)圓形單噴孔中甲烷氣體的射流特性進(jìn)行了仿真，同時(shí)分析了噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特征及噴管外的射流特性.

綜上所述，目前對(duì)噴嘴霧化性能的研究主要集中在對(duì)傳統(tǒng)噴嘴的固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真分析.然而對(duì)于結(jié)合各類噴嘴的特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)并分析比較其噴霧特性并不多見(jiàn).雖然有很多學(xué)者對(duì)離心式噴嘴有研究，但離心噴嘴的旋流結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生什么影響，霧化性能差異有多少，很少人做出研究與比較.本文結(jié)合旋流霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)特征對(duì)既有噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)增加了旋流槽的結(jié)構(gòu)，利用仿真方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了經(jīng)改進(jìn)前后兩種噴嘴的流動(dòng)機(jī)理與霧化性能，為噴嘴的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與噴嘴應(yīng)用的選型提供了理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程[14]：

能量守恒方程[15]：

1.2 湍流模型

湍動(dòng)能k運(yùn)輸方程[16]:

Gb-ρε-YM+Sk

湍流耗散率ε方程

2 計(jì)算模型

2.1 三維模型及網(wǎng)格劃分

本文所研究的噴嘴由噴嘴外部構(gòu)件和內(nèi)部構(gòu)件兩部分組成，如圖1所示.噴嘴內(nèi)部流域的結(jié)構(gòu)由噴嘴內(nèi)閥芯的結(jié)構(gòu)決定，根據(jù)旋流霧化噴嘴的工作原理，在該噴嘴原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在噴嘴的內(nèi)部閥芯的后端增加3個(gè)旋流槽，如圖2所示.采用ICEM.CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對(duì)噴嘴內(nèi)流域的關(guān)鍵部分進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理，兩種噴嘴的模型網(wǎng)格數(shù)量都在9×106左右，網(wǎng)格細(xì)化處理結(jié)果如圖3所示.

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the nozzle structure

圖2 改進(jìn)噴嘴內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of the internal structure of improved nozzle

圖3 網(wǎng)格劃分細(xì)化處理Figure 3 Mesh refinement

2.2 邊界條件及計(jì)算工況

模型采用VOF模型和雙方程湍流模型(Realizablek-ε)，采用壓力基隱式求解器，入口和出口采用壓力邊界條件入口壓力為8 MPa,表壓為0 MPa，以水作為噴射工質(zhì)，向充滿空氣的流域內(nèi)噴射.

3 仿真分析

3.1 噴嘴內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

基準(zhǔn)噴嘴及改進(jìn)噴嘴的嘴內(nèi)壓力云圖如圖所示，圖4(A)為基準(zhǔn)噴嘴內(nèi)的壓力云圖，圖4(B)為改進(jìn)噴嘴內(nèi)的壓力云圖，兩噴嘴內(nèi)壓強(qiáng)的變化規(guī)律都是從噴嘴入口到噴嘴出口逐漸減小，但通過(guò)比較兩圖的legend可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)噴嘴內(nèi)的壓強(qiáng)整體上遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)噴嘴內(nèi)的壓強(qiáng).

圖4 噴嘴內(nèi)壓力云圖Figure 4 Pressure contours in improved nozzles

兩種噴嘴內(nèi)的流線圖如圖5所示，其中，基準(zhǔn)噴嘴內(nèi)的流線圖主視圖和左視圖如圖5(A)、(B)所示，改進(jìn)噴嘴內(nèi)的流線圖主視圖和左視圖如圖5(C)、(D)所示.通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)噴嘴內(nèi)接近出口處的渦流大且數(shù)量少，而增加旋流槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)噴嘴內(nèi)部，接近出口處的渦流數(shù)量變多，渦流更小.

圖5 噴嘴內(nèi)流線圖Figure 5 Streamline in nozzle

兩種噴嘴的出口橫截面水平直徑方向上在不同時(shí)刻t=0.016 s，t=0.020 s，t=0.025 s，t=0.030 s的液相速度如圖6所示.

圖6 噴嘴出口橫截面水平直徑液相速度分布Figure 6 Liquid velocity distribution in the horizontal diameter direction on the cross section of nozzle outlet

兩種噴嘴的出口速度最大值差異不大，但出口速度在水平線方向上的波及范圍上差異明顯.基準(zhǔn)噴嘴的出口速度在水平線上的波及范圍在-0.000 3～0.000 2之間浮動(dòng)，改進(jìn)噴嘴的出口速度在水平線上的波及范圍在-0.000 5～0.000 5之間，波及范圍更廣.且通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)噴嘴的速度最大值分布也更有規(guī)律，速度最高點(diǎn)分布在噴嘴出口水平線中心偏右側(cè)，這種現(xiàn)象與改進(jìn)噴嘴增加的旋流槽的旋向有關(guān).

兩種噴嘴的出口流量隨時(shí)間變化的對(duì)比情況如圖7所示.通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在噴射前期，改進(jìn)噴嘴的流量的波動(dòng)更為頻繁，每次波動(dòng)前后的流量差值更大，基準(zhǔn)噴嘴的流量比改進(jìn)噴嘴的流量更早達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)兩種噴嘴的流量值維持在相同水平.

圖7 噴嘴流量Figure 7 Rate of flow of nozzles

3.2 噴嘴外流場(chǎng)仿真分析

兩種噴嘴外流場(chǎng)的流線圖如圖8所示，其中圖8(A)是基準(zhǔn)噴嘴的外流場(chǎng)流線圖，圖8(B)是改進(jìn)噴嘴的外流場(chǎng)流線圖.通過(guò)觀察比較可以得出，基準(zhǔn)噴嘴噴霧場(chǎng)中的射流更加集中，射程更遠(yuǎn).而有旋流槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)噴嘴的噴霧場(chǎng)中的射流整體上來(lái)說(shuō)更為分散，噴霧錐角更大，并且在噴霧場(chǎng)的中間位置射流以加速度的趨勢(shì)向周圍方向完全分散開(kāi).

兩種噴嘴噴霧場(chǎng)內(nèi)隨時(shí)間變化的速度云圖如圖9所示.

圖8 噴霧場(chǎng)內(nèi)流線圖Figure 8 Streamline in spray field of nozzle

圖9 噴霧場(chǎng)中的速度云圖Figure 9 Velocity distribution in spray field

其中9圖(A)列為基準(zhǔn)噴嘴的速度云圖變化規(guī)律，圖9(B)列為改進(jìn)噴嘴的速度云圖變化規(guī)律.時(shí)間分別為t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s、t=0.026 4 s四個(gè)時(shí)刻.經(jīng)觀察對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在t=0.016 8 s時(shí)刻液體已經(jīng)由基準(zhǔn)噴嘴出口噴出，而此時(shí)改進(jìn)噴嘴內(nèi)的液體尚未噴出.在t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s時(shí)刻，基準(zhǔn)噴嘴的噴射速度始終高于改進(jìn)噴嘴的噴射速度，而且射程也高于后者.當(dāng)達(dá)到t=0.023 6 s時(shí)刻時(shí)，兩種噴嘴的噴射速度和射程基本持平，但相比于基準(zhǔn)噴嘴，由改進(jìn)噴嘴噴出的液體的速度中高速度區(qū)域明顯偏大，由此可見(jiàn)，在噴射達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，改進(jìn)噴嘴的霧化錐角要大于基準(zhǔn)噴嘴的霧化錐角.

兩種噴嘴噴霧場(chǎng)的中軸線上的液相的速度關(guān)于時(shí)間變化的規(guī)律如圖10所示，其中圖10(A)是基準(zhǔn)噴嘴的噴霧場(chǎng)中軸線速度變化圖，圖10(B)是改進(jìn)噴嘴的噴霧場(chǎng)中軸線速度變化圖.通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在t=0.016 s時(shí)刻液體由噴嘴出口噴出，但基準(zhǔn)噴嘴的出口速度遠(yuǎn)高于改進(jìn)噴嘴的出口速度，說(shuō)明相同條件下液體由基準(zhǔn)噴嘴出口先噴出.基準(zhǔn)噴嘴的出口速度在t=0.016 s時(shí)刻起已經(jīng)達(dá)到最大值且維持穩(wěn)定，改進(jìn)噴嘴的出口速度經(jīng)由t=0.016 s，t=0.018 4 s，t=0.020 8 s時(shí)刻的加速后，在t=0.023 2 s達(dá)到最大值并基本穩(wěn)定，且經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)刻，基準(zhǔn)噴嘴出口速度最大值普遍高于改進(jìn)噴嘴的出口速度最大值.另外，由圖10(A)、(B)的對(duì)比可以看出，在t=0.016 s、t=0.018 4 s、t=0.020 8 s、t=0.023 2 s時(shí)刻基準(zhǔn)噴嘴噴霧場(chǎng)中軸線上的噴射距離比改進(jìn)噴嘴的大，且在t=0.023 2 s時(shí)刻已經(jīng)達(dá)到了模型設(shè)定的最遠(yuǎn)距離D=0.5 m處，比改進(jìn)噴嘴早0.002 4 s.但在t=0.025 6 s之后噴射速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在流場(chǎng)中軸線上，改進(jìn)噴嘴的噴射速度在中后段普遍高于基準(zhǔn)噴嘴的噴射速度，且速度波動(dòng)明顯.

圖10 兩種噴嘴的噴霧場(chǎng)中軸線上的液體速度Figure 10 Liquid velocity along the central axis of the spray field

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴的霧化過(guò)程進(jìn)行仿真分析，本文得到以下結(jié)論：

1)改進(jìn)噴嘴增加的旋流槽結(jié)構(gòu)會(huì)使噴嘴內(nèi)的渦流變小，數(shù)量變多，會(huì)使噴嘴內(nèi)的壓強(qiáng)變小，但在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后兩種噴嘴的流量維持相同水平；

2)改進(jìn)噴嘴增加旋流槽結(jié)構(gòu)后，會(huì)使噴射束更加發(fā)散，使霧化錐角變大；

3)改進(jìn)噴嘴在增加旋流槽結(jié)構(gòu)后軸向噴射速度降低，但是噴射速度在水平方向上的波及范圍明顯變大，即霧化錐角明顯變大.