吳啟東，趙迪飛，解靜，魏祥，吳正人

（1. 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北保定 071003；2. 華北電力大學(xué)動力工程系，河北保定 071003）

0 引言

霧化噴嘴廣泛應(yīng)用于煙草、航空和發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域[1-2]。噴嘴霧化是指當(dāng)液體在高壓的作用下, 通過很高的速度噴射出噴嘴進(jìn)入到靜止或低速氣流中，得到霧化的效果。其中主要包括這3個階段：液體流動、液柱或液膜的分裂和液滴的破碎[3]。

吳正人等[4]基于歐拉-拉格朗日模型，采用Fluent軟件模擬分析了恒定熱流密度時不同噴霧壓力對壓力旋流噴嘴霧化冷卻的影響。梁雪萍等[5]研究了水平方向噴射、端面方向注氣噴射的新型氣泡流體霧化問題，分析了頭部注氣孔尺寸和數(shù)目對氣泡霧化及流場性能的影響。陳斌等[6]分別對單相和兩相噴嘴的霧化壓力特性進(jìn)行了分析，對比分析了平均開口直徑長度隨液相霧化壓力的變化規(guī)律。侯燕等[7]建立了多流體噴嘴三維流量CFD流動模型，對液體噴霧場內(nèi)的氣流場與出口溫度場進(jìn)行了模擬。趙豐等[8]通過搭建載料霧化試驗平臺,分析了氣體壓力、料液流量等對霧化的錐角影響。吳進(jìn)軍等[9]為了揭示壓力對直射式噴嘴霧化影響的霧化機(jī)理,針對D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式噴嘴采用實驗和數(shù)值模擬研究。主要獲得以下結(jié)論:壓力是影響直射式噴嘴霧化的重要因素。壓力越大,燃油液滴粒徑SMD越小、噴霧錐角越大。直射式噴嘴的壓力增大,霧化效果增強(qiáng)趨勢逐漸降低;壓力增大對一次霧化影響較大,對二次霧化影響較小。李子陽等[10]基于CLSVOF(Couple Level-Set and Volume-Of-Fliud)方法對直流互擊式的霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并詳細(xì)研究了孔徑比對霧化特征的影響。

本研究針對霧化質(zhì)量進(jìn)行分析，得出影響霧化效果的因素。然后根據(jù)理論研究，建立相關(guān)的噴嘴霧化物理模型，并根據(jù)生產(chǎn)實際對霧化過程通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣相壓力對霧化效果的影響。

1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

1.1 噴嘴模型

煙廠料液霧化所用雙介質(zhì)噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過調(diào)節(jié)芯軸可以改變霧化細(xì)度及霧化錐角。

圖1 雙介質(zhì)霧化噴嘴模型

該雙介質(zhì)噴嘴，氣相為水蒸氣，液相為料液。水蒸氣和液體分別從兩個入口進(jìn)入，經(jīng)過漸縮流道在出口處速度達(dá)到最大，高速氣流與低速液流于出口處相互作用，將液體霧化破碎成液滴。

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際的噴嘴結(jié)構(gòu)，在不影響模擬結(jié)果的情況下，對霧化模型進(jìn)行一定程度的簡化，只保留通流部分，即噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其霧化模型如圖2所示，并通過其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證霧化區(qū)域?qū)F化效果不產(chǎn)生影響，設(shè)定流場區(qū)域為三維滾筒（如圖3），對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)為734萬。

圖2 噴嘴網(wǎng)格模型圖

圖3 噴嘴霧化模擬區(qū)域

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

首先通過0.21～0.50 mm的網(wǎng)格尺寸對計算域進(jìn)行網(wǎng)格化分，選取網(wǎng)格數(shù)目為280萬、345萬、501萬、734萬、1000萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在734萬之后噴嘴出口蒸汽速度未發(fā)生明顯變化。而且在進(jìn)行模擬中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)過高時模擬所得數(shù)據(jù)會出現(xiàn)失真的情況，計算時間也會大大增加。

對于數(shù)據(jù)失真的情況，分析其原因主要為網(wǎng)格尺寸過小，網(wǎng)格體積小于液滴體積，導(dǎo)致液滴在網(wǎng)格計算中不連續(xù)，從而造成誤差?？紤]到計算的時間成本與數(shù)據(jù)精度，采用網(wǎng)格數(shù)為734萬的模型。 此條件下的網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

將數(shù)值模型導(dǎo)入Fluent軟件，根據(jù)模擬工況采用三維分離隱式求解器，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和vof汽液兩相流模型。其中液相設(shè)置成煙草香料，氣相設(shè)置為蒸汽，考慮到筒壁黏附效應(yīng)，液體和蒸汽之間的表面張力系數(shù)設(shè)為0.07。蒸汽為壓力入口，料液為速度入口、壓力出口。

為探究不同氣相壓力對霧化效果的影響，將液相入口速度設(shè)置為20 m/s不變，分別探討噴嘴出口壓力為0.1、0.2、0.3 MPa時的噴嘴霧化效果。根據(jù)速度云圖和計算域的體積分?jǐn)?shù)云圖來分析噴嘴霧化壓力對霧化效果的影響。

圖4從上到下依次為0.1、0.2、0.3 MPa時的半剖面和出口面的速度分布圖。

圖4 不同氣相壓力下速度云圖

由圖4可以看出，隨著氣相壓力的增大，噴嘴出口速度增大，0.3 MPa下噴嘴出口處局部最大速度接近700 m/s，而在0.1 MPa下噴嘴出口處局部最大速度只有400 m/s。除此之外，還可以觀察到：隨著噴嘴出口壓力的增大，霧化噴射區(qū)域維持噴射形狀的穩(wěn)定性增加，一定范圍內(nèi)有利于促進(jìn)物化的均勻性。

圖5從上到下依次為0.1、0.2、0.3 MPa時不同氣相壓力下的計算域體積分?jǐn)?shù)圖。由計算域體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果可知，隨著氣體入口壓力的增大，霧化范圍增大，錐形擴(kuò)散效果更明顯，但因噴射出的液體流束內(nèi)部無法充分接觸到高速氣流，導(dǎo)致內(nèi)部霧化不夠均勻。

圖5 不同氣相壓力下的計算域體積分?jǐn)?shù)圖

通過分析可知，在相同的液相速度下，兩相介質(zhì)從噴嘴出口噴射出去，氣體分子與液體分子相互碰撞產(chǎn)生擾動，期間進(jìn)行了能量交換與動量交換，氣相壓力越大，動量交換越明顯，在氣體的作用下，液體噴射的速度和距離都明顯提高。其中，液體流束邊緣處與氣體作用最劇烈，作用效果最明顯。在相同液相流速下，氣相壓力越大（在一定范圍內(nèi)），液體的擴(kuò)散效果越好，霧化效果越明顯。

此外，隨著噴嘴壓力的增大，蒸汽流速增大，使得氣液速度比過大，由于氣體流速過快，在出口處產(chǎn)生高速氣流和較大的壓力，使得液體無法正常流出噴嘴，在出口處打旋和回流，無法形成正常的噴嘴霧化效果，從而影響霧化效果，此時的流場矢量圖如圖6所示。

圖6 氣液速度比過大時流場分布

3 結(jié)論

雙介質(zhì)噴嘴的介質(zhì)參數(shù)是影響霧化質(zhì)量的重要因素，本文利用Fluent模擬了不同氣相壓力對霧化效果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外混式噴嘴內(nèi)通道噴射出的流體在外混合高壓空氣的作用下，邊緣破碎增多，霧化范圍增大，霧化效果更加明顯。在液相流量不變的情況下，隨著氣相壓力的增加，噴嘴出口壓差增大，射程增加，霧化范圍擴(kuò)大，效果更好；當(dāng)蒸汽的壓力過大，噴嘴出口處液體速度與氣體速度比較高，霧化液體會在出口處打旋，形成回流，難以噴射出去，嚴(yán)重影響噴霧的形成，從而惡化霧化效果。