王唯博,高貴軍*,鄭 杰,楊文強,游青山

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室,山西 太原 030024;3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402260)

0 引 言

目前,噴嘴射流霧化技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療消毒、家居生活、滅火設(shè)備、園林噴灑等領(lǐng)域,尤其常用于煤礦降塵領(lǐng)域。

煤礦粉塵不僅會危害工人健康,而且還會導(dǎo)致粉塵爆炸、儀器嚴(yán)重磨損,所以進行粉塵治理刻不容緩。

噴射霧滴大小和分布范圍受到壓力、腔體直徑、螺旋傾角、流體介質(zhì)、噴口孔徑比等多個因素的影響。目前,國內(nèi)外已有眾多學(xué)者選用不同的方法對噴嘴霧化性能進行了研究。

毛傳林等人[1]選用DPM離散相模型,對長20 cm、半徑5 cm的1/4圓柱體采用周期性網(wǎng)格劃分,分析了其外部射流場的液滴霧化情況。湯羽昌等人[2]提出了兩級耦合霧化模型,利用正弦理論分析模型和LFB破碎模型計算出了霧滴的一級霧化情況,并結(jié)合離散相模型,得到了霧滴的二級霧化情況。張建平、趙金國等人[3,4]采用試驗與仿真的方式,對噴嘴的內(nèi)部進行了分析,研究了旋流噴嘴不同參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系及氣液兩相流運動規(guī)律,提出了噴嘴的選用原則。郝磊等人[5]設(shè)置了噴頭出口最大速度為霧化場的入口速度,利用多相流模型和離散相模型來模擬噴嘴二維網(wǎng)格模型的霧化場,為噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。易宗禮、馬佳敏、楊剛等人[6-10]構(gòu)建了三維仿真流體域模型,并采用VOF多相流模型和湍流模型,分析了噴嘴內(nèi)外流場的霧化特性。YU Hai-ming、WANG Lei等人[11,12]基于大渦模擬模型(LES),分析了壓力旋流噴嘴內(nèi)部的流動特性和外部液片的破碎形式。劉海麗、梁欽、王松嶺等人[13-15]分別建立了圓柱模型,結(jié)合Fluent提供的噴嘴霧化模型,對噴嘴外流場進行了數(shù)值仿真,并分析了其霧化特性。LI Lan等人[16]引入了索特平均直徑(Sauter mean diameter,SMD),建立了液滴粒徑分布的實驗平均數(shù)學(xué)模型,采用模擬的方式,研究了噴嘴霧化場中的液滴尺寸分布。易松林等人[17]建立了單噴嘴二維軸對稱模型,運用Fluent對噴嘴內(nèi)外流場進行了數(shù)值模擬,分析了在不同噴距和入口流量下,噴嘴內(nèi)、外流場的規(guī)律。

以上研究分別側(cè)重于噴嘴內(nèi)部流場、外部流場的仿真模擬與實驗驗證,但是對一級霧化與二級霧化內(nèi)部關(guān)聯(lián)的研究尚少。

筆者基于湍流模型和壓力螺旋噴嘴模型,取內(nèi)部流場的出口流速的不同值作為外部噴霧場的入口條件,分析霧滴粒徑分布狀況由于出口流速不同以及壓力、螺旋角的大小而變化的總體趨勢,并探討噴嘴內(nèi)外流域霧化之間的關(guān)系。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)

筆者研究對象是十字旋芯噴嘴,其二維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[18]。

圖1 噴嘴二維結(jié)構(gòu)圖1—噴嘴殼體;2—十字螺旋芯;3—壓緊螺帽;α—螺旋葉片與水平線之間所形成的螺旋傾角

圖1中,液態(tài)水在入射壓力下進入腔體,經(jīng)由旋芯的隔離作用被分割成兩股水流,沿十字葉片的傾斜面流動,到達邊沿后旋轉(zhuǎn)折返呈現(xiàn)螺旋流動,進而流向出口。

該噴嘴為分離型設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡易、不易堵塞的特點,因而被廣泛應(yīng)用于煤礦降塵等領(lǐng)域。

2 仿真模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

筆者使用SolidWorks軟件構(gòu)建噴嘴內(nèi)外流域的三維仿真模型。

根據(jù)實際尺寸,噴嘴內(nèi)流域模型主要尺寸為總長度24 mm、入口直徑6 mm、出口直徑1.5 mm、錐形夾角90°,以及噴嘴芯螺旋傾角30°;同時,筆者簡化噴嘴外流域模型為半徑1 m、長度2.5 m的圓柱區(qū)域;經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證,該區(qū)域過大會增加計算成本,過小則無法更好地模擬自然狀態(tài)下噴霧不受空間限制的情況。

結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格具有生成快、質(zhì)量好、計算快的優(yōu)點,非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格具有生成方便、適用于流域模型較復(fù)雜的特點[19]。噴嘴內(nèi)流域因十字螺旋式噴嘴芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜,此處采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格;噴嘴外流域呈圓柱形結(jié)構(gòu)簡單,此處采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,可提高網(wǎng)格質(zhì)量。

考慮到液態(tài)水在螺旋芯附近流動的復(fù)雜性,為保證計算結(jié)果精度,筆者對該部分網(wǎng)格和外流域中心處網(wǎng)格進行局部加密處理。

網(wǎng)格生成圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

為驗證網(wǎng)格無關(guān)性,筆者對流域劃分了4種不同數(shù)量的網(wǎng)格,分別為2×105、2.5×105、3.0×105、3.5×105。

網(wǎng)格質(zhì)量圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量圖

經(jīng)對比可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為2.5×105左右時,網(wǎng)格質(zhì)量最小值達到0.31,且網(wǎng)格數(shù)量少,節(jié)省計算空間。

最后,筆者確定內(nèi)流域網(wǎng)格單元數(shù)量為268 348,節(jié)點數(shù)量為47 035。

2.2 計算控制方程

計算噴嘴外部霧化區(qū)域的初始?xì)饬鲌鰰r,假設(shè)氣體是理想氣體,其流動屬于湍流、低馬赫數(shù)。該階段涉及到的基本方程式有計算氣流流動規(guī)律、傳熱與傳質(zhì)的連續(xù)方程、能量方程以及動量方程[20]。

由于Realizablek-ε湍流模型可以更精確地預(yù)測圓形射流的發(fā)散比值,此處,筆者選用Realizablek-ε湍流模型。

連續(xù)性方程為:

(1)

動量方程為:

(2)

式中:μ—流體相的速度;ρ—流體的密度;x—方向;t—時間;μ—流體動力黏度;δij—單位張量;P—流體壓強;i,j,k—三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方向。

耗散率方程及湍流模型的湍動能:

(3)

(4)

式中:μ—流體動力黏度;ρ—流體的密度;Gb—浮力影響引起的湍動能;Gk—平均速度梯度引起的湍動能;C2,C1ε—經(jīng)驗常數(shù);YM—可壓速湍流脈動膨脹對總耗散率的影響因子;σk,σε—湍動能和其耗散率的湍流普朗特數(shù),在Fluent計算中均設(shè)定為默認(rèn)值常數(shù)。

2.3 參數(shù)設(shè)置

(1)內(nèi)流域設(shè)置。為獲得液態(tài)水到達十字螺旋噴嘴芯的出口流速,筆者假設(shè)噴嘴內(nèi)流場為單相穩(wěn)態(tài)運動,選用Realizablek-ε湍流模型,進口條件設(shè)置為壓力入口(pressure-inlet)。而噴嘴外流場霧化區(qū)域選用Pressure-swirl-atomizer霧化模型來模擬液相從水柱變化為液膜,進而撕裂破碎成液滴的過程。首先,計算連續(xù)相為氣體時的初始霧化場;殘差曲線收斂后,將液相以離散液滴的方式加入流場,離散相與連續(xù)相兩者的耦合模式選用動態(tài)曳力模型,并選擇隨機顆粒軌跡模型跟蹤液滴,待計算再次達到收斂時,得出整個霧化區(qū)域噴射霧滴的粒徑散布狀況。

(2)外流域設(shè)置。時間模式選擇非穩(wěn)態(tài)(transient),重力加速度為豎直向下9.8 m/s2;圓柱體一側(cè)底面的邊界類型定為速度入口(velocity-inlet),其大小定為一般自然對流下空氣流速;另一側(cè)底面邊界類型設(shè)為壓力出口(pressure-outlet),其值默認(rèn)為0;中間圓柱面邊界類型選為壁面(wall)。設(shè)定入口中心處為霧滴釋放位置,顆粒流數(shù)為250,噴嘴內(nèi)徑為1.5 mm,依據(jù)經(jīng)驗取值或理論計算得出質(zhì)量流率等相關(guān)參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 內(nèi)流域出口速度分析

筆者分析螺旋角為30°、壓力分別取4 MPa、5 MPa、6 MPa時,液態(tài)水到達噴嘴出口面的速度值。

不同壓力下,噴嘴出口XY面中心線處的速度大小分布圖如圖4所示。

圖4 不同壓力下速度分布圖

水的流速在噴嘴入口階段增加緩慢,在到達螺旋芯后,液體被分成兩股,撞擊到十字葉面上,經(jīng)其凹槽的旋轉(zhuǎn)切割作用產(chǎn)生渦流,到達出口面時獲得較大流速值,但邊緣部分因壓力過小,速度值為零。

由圖4可知:當(dāng)螺旋傾角相同時,隨著入射壓力增大,出口速度也增大,但整體變化趨勢基本一致。

當(dāng)壓力不變時,出口面中心處速度均較大,邊緣處速度為零,筆者分別取得最大值、最小值,與去掉速度值為0的點后平均值,如表1所示。

表1 不同壓力下速度值

3.2 外流域粒徑分布分析

筆者選用出口流速最大值作為計算入口條件,并基于外流域仿真結(jié)果,設(shè)置螺旋傾角為30°,壓力分別為4 MPa、5 MPa、6 MPa時,得到的外部霧場粒子分布圖如圖5所示。

圖5 不同壓力下霧場分布圖

由圖5可知:在螺旋傾角相同時,當(dāng)入口噴射壓力變大,霧化場顆粒直徑越來越小,粒徑較小的霧滴數(shù)也越多;當(dāng)入口壓力為4 MPa、5 MPa、6 MPa時,霧滴最小直徑分別為13.9 μm、11.5 μm、9.97 μm。

由于噴霧的初始階段不穩(wěn)定,霧滴分布不均勻,為接近實際工況,筆者統(tǒng)計分析距離噴嘴軸向距離0.7 m～1.0 m區(qū)間內(nèi)的粒子數(shù)量及粒徑分布情況。

筆者選取出口流速最小值時,不同壓力下外流域的霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)表,如表2所示。

表2 速度最小值時區(qū)間粒徑的仿真百分比值

筆者選取出口流速平均值時,不同壓力下外流域的霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)表,如表3所示。

表3 速度平均值時區(qū)間粒徑的仿真百分比值

筆者選取出口流速最大值時,不同壓力下外流域的霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)表,如表4所示。

表4 速度最大值時區(qū)間粒徑的仿真百分比值

由表(2～4)可知:

在不同的壓力下,選取不同的出口流速值作為入口條件,霧滴粒徑主要分布在20 μm～60 μm之間;隨著壓力增大,直徑小于60 μm的液滴占比越大,大于60 μm的液滴占比越小;由于模擬霧化初始階段,計算時間較短,20 μm以下的顆粒占比偏少;隨著計算時間變長,模型穩(wěn)定,愈接近實際霧化,60 μm以上的顆粒占比偏大。

螺旋傾角的大小對霧化粒徑分布也有一定的影響。為了得到其對霧化粒徑分布的影響規(guī)律,筆者對仿真壓力相同時,不同螺旋角下的霧滴粒徑分布情況進行對比分析。

當(dāng)壓力為6 MPa時,螺旋傾角分別為30°、40°、50°的外部霧場粒徑分布圖,如圖6所示。

圖6 不同螺旋角下粒徑分布圖

由圖6可知:當(dāng)壓力不變時,螺旋傾角增大,直徑在0 μm～20 μm區(qū)間內(nèi)的液滴占比越大,直徑在60 μm～80 μm區(qū)間內(nèi)的液滴占比越小。這是因為隨著噴嘴螺旋傾角的變大,十字螺旋葉片的傾斜度越大,撞擊速度越大,韋伯?dāng)?shù)越大,產(chǎn)生渦流動能越大,噴嘴出口流量也越大,液滴之間碰撞破碎機率也越大,故細(xì)小霧滴數(shù)所占比重越大。

另外,當(dāng)螺旋角為50°時,20 μm～40 μm區(qū)間的霧滴占比偏小,40 μm～60 μm區(qū)間的霧滴占比偏大。究其原因在于螺旋芯模型的構(gòu)建等方面存在誤差。

4 實驗及結(jié)果分析

4.1 實驗系統(tǒng)

為了測定噴霧的實際情況,筆者在太原理工大學(xué)礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實驗室外,搭建了一整套可用來測試不同壓力下,不同結(jié)構(gòu)噴嘴液體霧化情況的實驗平臺,并通過實驗測量得出噴霧數(shù)據(jù)實際參考值。

實驗操作示意圖如圖7所示。

圖7 噴嘴霧化性能實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由DP-02滴譜儀、霧化玻璃罩、高速攝像機、噴嘴、加壓調(diào)壓設(shè)備和流量計等儀器組成。

在保證設(shè)備的安裝高度以及控制滴譜儀的使用條件下,筆者測量了噴嘴孔為1.5 mm、腔體直徑為6 mm、螺旋傾角分別為30°、40°、50°的噴嘴,系統(tǒng)壓力為1 MPa～6 MPa下的霧化數(shù)據(jù)。

4.2 測量方法

為避免外界干擾,噴霧實驗選擇在透明玻璃罩里進行。

筆者以液態(tài)水作為噴射介質(zhì),調(diào)節(jié)流量計控制噴射流量,通過加壓調(diào)壓設(shè)備設(shè)定并保持自來水的入射壓力,查看液壓表數(shù)值來監(jiān)控噴霧壓力,用高速攝像機捕獲噴射霧滴的運動速度和霧化角度;同時,改動噴嘴的相對位置,操作DP-02粒度分析儀,測得不同位置霧粒尺寸的分布。先在適當(dāng)?shù)奈恢霉潭ê脟娮?保證在設(shè)定好的壓力下均勻噴霧;然后,把滴譜儀準(zhǔn)直激光發(fā)生裝置與信號采集裝置放在合適的高度,并調(diào)整系統(tǒng)對中;最后,運行數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出噴霧數(shù)據(jù)。

噴霧實驗現(xiàn)場及噴霧粒度分布圖如圖8所示。

圖8 噴霧實驗圖

4.3 實驗結(jié)果分析

筆者通過調(diào)整儀器設(shè)備,更改實驗參數(shù),進行了不同條件下的多組實驗,并通過DP-02滴譜儀收集噴霧數(shù)據(jù),再對數(shù)據(jù)加以分析。

當(dāng)螺旋角為30°,壓力分別為4 MPa、5 MPa、6 MPa時,霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同壓力下區(qū)間粒徑的實驗百分比值

因為單個粒徑所占百分比不具有代表性,故表中所示值為不同粒徑范圍內(nèi)的顆粒占比,便于對比分析。

由表5可知:(1)在一定的測量區(qū)域內(nèi),不同壓力下,粒徑在20 μm～60 μm之間的霧化液滴數(shù)占百分比較大,粒徑在60 μm～100 μm之間的霧化液滴數(shù)占百分比較小;

(2)螺旋傾角相同時,隨著壓力的增大,粒徑較小的液滴顆粒數(shù)百分比增大,粒徑較大的液滴顆粒數(shù)百分比減小;其中,壓力為6 MPa時,粒徑于40 μm～60 μm之間的霧滴所占比例較低,原因為實驗過程中存在噴嘴位置調(diào)整、壓力值設(shè)定保持、滴譜儀測量等誤差因素,均會導(dǎo)致霧滴粒徑分布出現(xiàn)偏差。

4.4 實驗、仿真結(jié)果對比分析

基于以上實驗與仿真結(jié)果分析,可以得到壓力為6 MPa時的粒徑分布對比圖,如圖9所示。

圖9 壓力6 MPa時粒徑分布對比圖

由圖9可知:以內(nèi)部流場的不同速度值作為外部霧場入口條件,所得的仿真結(jié)果變化趨勢基本一致,隨著壓力的增大,0 μm～60 μm區(qū)間的霧滴數(shù)占比越大,60 μm～100 μm區(qū)間的霧滴數(shù)占比越小;

實驗數(shù)據(jù)與出口速度最大值的仿真數(shù)據(jù)之間誤差最小,但有儀器設(shè)備測量不當(dāng)和實驗條件稍有變化等不可避免的因素,在不同的壓力下20 μm～60 μm區(qū)間內(nèi)的霧滴分布情況更為一致,60 μm～80 μm區(qū)間內(nèi)的霧滴分布情況存在差異,得出選用出口流速最大值作為計算入口條件更能夠符合實際情況。

另外,筆者對比分析螺旋傾角為30°,壓力分別為4 MPa、5 MPa、6 MPa時,霧滴粒徑SMD的實驗、仿真數(shù)據(jù),如圖10所示。

圖10 不同條件下霧滴SMD隨壓力變化圖

由圖10可知:在分別選取出口速度最小值、平均值、最大值時,所得霧場的霧滴SMD變化趨勢一致,且實驗值與最大值吻合較好。

在壓力為4 MPa～5 MPa時,霧滴SMD快速下降;當(dāng)壓力達到5 MPa后,霧滴SMD變化比較緩慢,表明霧化液滴SMD受系統(tǒng)噴射壓力的影響較大。這是因為隨著壓力的增大,霧化液體的噴射動能也變大,致使螺旋噴嘴霧化液體破裂程度變大;當(dāng)壓力達到某一數(shù)值時,噴射霧滴SMD就不會明顯減小。

5 結(jié)束語

為了研究噴嘴兩級霧化之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián),筆者利用Fluent軟件中Realizable k-ε湍流模型和Pressure-swirl-atomizer霧化模型,對十字旋芯噴嘴內(nèi)外流場進行了數(shù)值模擬,并通過實驗測試進行了對比分析,驗證了仿真結(jié)果的合理性。

研究得出以下結(jié)論:

(1)實驗與數(shù)值模擬合理,表明了選用出口流速最大值作為計算入口條件更加符合實際情況,對深入研究噴嘴兩級霧化的內(nèi)在聯(lián)系有一定的指導(dǎo)意義;

(2)當(dāng)螺旋角不變,霧化壓力不同時,霧滴粒徑仍主要分布在40 μm～60 μm區(qū)間;隨著壓力或螺旋角單一變量的增大,粒徑為60 μm以上的霧滴占比越大,60 μm以下的霧滴占比越小,為不同場合下噴嘴使用壓力和旋芯傾角的選擇提供了參考;

(3)由出口速度最大值作為入口條件得出的霧滴SMD仿真值與實驗值誤差最小;隨著壓力的增大,霧滴SMD值減小。

綜上所述,筆者為研究噴嘴整體霧化過程內(nèi)在機理提供了一種方法。在后續(xù)的研究工作中,筆者將拓展其他可行的算法。