付文鋒，許 龍，吳啟東，楊小娜，肖 華，吳正人

(1. 華北電力大學(xué) 河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071003；2. 河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北 保定 071000)

噴嘴霧化是廣泛應(yīng)用于電力、化工、食品加工等工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵工藝處理過程，主要采用引射空氣或蒸汽對含有特定工質(zhì)的液體進行噴射，液體在高速空氣或蒸汽作用下霧化成細小液滴。噴嘴霧化的特性在一定程度上決定了后續(xù)加工工藝的品質(zhì)；但在現(xiàn)有的研究中針對噴嘴邊界條件對霧化特性的影響分析并不充分，對于霧化后液滴形態(tài)，包括分布規(guī)律與粒徑等特性的分析尚不透徹，阻礙了噴嘴霧化效果以及相應(yīng)加工工藝的進一步提升，因此有必要針對噴嘴霧化空氣動力特性與影響因素進行研究[1-2]。

對于噴嘴霧化的相關(guān)研究，當(dāng)前的主要研究方法集中于實驗研究與數(shù)值模擬。針對不同介質(zhì)的噴嘴，張大波等[3]采用實驗測量的手段研究了水蒸氣與壓縮空氣2種介質(zhì)下，噴嘴霧化對液滴粒徑、均勻性等多重因素的影響。山澤銀[4]基于實驗平臺與高速相機，開展了粒徑與霧化噴射范圍的研究，結(jié)果表明空氣噴射角度在一定范圍內(nèi)與入流壓力相關(guān)，但其極值受到噴嘴出口結(jié)構(gòu)的限制。王宇等[5]采用雙流體噴霧實驗與激光噴霧測量系統(tǒng)，研究了不同介質(zhì)類型、物性以及液路溫度對霧化粒徑的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)液體黏性對霧化粒徑的影響較為顯著。王萍萍等[6]針對外混式噴嘴實驗平臺，結(jié)合馬爾文激光粒度儀與高速攝影機，對不同進氣壓力下噴嘴錐角、液滴粒徑和流量進行研究。

噴嘴霧化涉及復(fù)雜的多重物理機制，常規(guī)的多相流模擬不能很好地實現(xiàn)噴嘴一次霧化與二次霧化的準(zhǔn)確模擬，因此諸多學(xué)者采用不同模擬方法對噴嘴霧化機制以及霧化后液滴特性進行了數(shù)值研究[7-9]。楊歡[10]采用分步數(shù)值研究的方法，分別針對噴嘴結(jié)構(gòu)內(nèi)的單相流動以及霧化后的多相離散態(tài)流動進行了數(shù)值分析，并驗證了氣液相對速度與氣相壓力的關(guān)系。李俏等[11]采用Fluent軟件開展了針對雙介質(zhì)噴嘴流場模擬分析，并對噴嘴幾何結(jié)構(gòu)進行改進。

綜上所述，當(dāng)前針對噴嘴霧化的實驗研究與數(shù)值研究較為廣泛，但對于霧化關(guān)鍵指標(biāo)粒徑的影響規(guī)律尚不清晰，針對粒徑特性的評價體系尚不完善。本文中針對雙介質(zhì)噴嘴開展液滴霧化的數(shù)值模擬。通過對噴嘴的霧化特征進行定量分析，得到不同蒸汽入口壓力、氣-液相對速度下霧化液滴的空間分布規(guī)律以及粒徑變化規(guī)律等，以期為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其工作參數(shù)選擇提供依據(jù)，并為不同工業(yè)領(lǐng)域相關(guān)加工工藝提升提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

本文中采用雙介質(zhì)噴嘴，由芯軸、螺母、螺管、料腔、空心螺釘、氣腔、連接體組成，如圖1(a)所示。進入噴嘴的液態(tài)工質(zhì)為經(jīng)過加熱后的液體，在進氣接頭進入噴嘴的工質(zhì)為高溫高壓蒸汽，用于對液體進行輔助引流，2個進口接口結(jié)構(gòu)分解圖如圖1(b)所示。

(a)雙介質(zhì)噴嘴結(jié)構(gòu)

在液體進入噴嘴后，為了保證噴射效果，通常需要引導(dǎo)液體產(chǎn)生周向旋流。圖2(a)所示為液體流道調(diào)節(jié)針閥，該部件位于噴嘴中心管內(nèi)，用于調(diào)節(jié)中心管內(nèi)液體噴射量、噴射面等特性。液體流道調(diào)節(jié)針閥主要包括2個部分，分別為針閥A及安裝位置固定件B。針閥A中旋流裝置，可使液體在噴出前產(chǎn)生明顯的旋流，有利于增強噴嘴霧化效果，其旋流方向與蒸汽側(cè)旋流方向相反；固定件B用于調(diào)節(jié)并固定針閥A在中心管出口處的位置，如圖2(b)所示，實現(xiàn)液體通流面積的調(diào)節(jié)。螺紋實際可調(diào)節(jié)范圍約為16 mm，可以改變液體出口與蒸汽出口相對速度。

1.2 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗證

本文中采用的數(shù)值計算軟件為ANSYS Fluent 2020R2，通過計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值計算可以實現(xiàn)多條件、全工況的噴嘴霧化分析計算，彌補實驗工況不全面的不足。在分析過程中只保留噴嘴內(nèi)流動的主要結(jié)構(gòu)，將螺紋等調(diào)節(jié)機構(gòu)去除，以簡化模型。滾筒直徑為1.2 m，軸向長度為2 m。在進行流體域網(wǎng)格與實體域網(wǎng)格劃分時，根據(jù)噴嘴幾何模型的結(jié)構(gòu)特點，采用四面體網(wǎng)格對噴嘴與滾筒進行劃分，在局部尺寸較小的區(qū)域細化網(wǎng)格。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時兼顧計算效率，進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，結(jié)果見表1。以噴嘴出口蒸汽速度為衡量參數(shù)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，蒸汽速度變化的相對誤差由0.82%逐漸減小到0.05%。當(dāng)網(wǎng)格個數(shù)由7.34×106增加為1011時，蒸汽速度變化的相對誤差很小，此時網(wǎng)格數(shù)量變化對計算精度的影響可以忽略。為了兼顧計算效率，最終選取的整體網(wǎng)格數(shù)為7.34×106，網(wǎng)格平均扭曲度為0.15。噴嘴與滾筒腔體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

A—針閥；B—固定件。(a) 液體流道調(diào)節(jié)針閥

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果

(a)噴嘴網(wǎng)格

1.3 數(shù)值計算

根據(jù)噴嘴霧化的機理，液體霧化的過程主要分為3個階段：第一階段，液體與蒸汽分別由入口進入噴嘴結(jié)構(gòu)，并引流至噴嘴入口；第二階段，經(jīng)過噴射后液體經(jīng)歷一次霧化，此時液體在噴嘴出口處形成面積較大的液膜，并進一步碎裂為大直徑的液滴；第三階段，一次霧化的液滴在氣流作用下繼續(xù)變形、破裂，液滴直徑進一步縮小，即為二次霧化過程。在本文中的噴嘴霧化過程，數(shù)值計算過程分別經(jīng)歷第1階段的噴嘴內(nèi)流動數(shù)值，以及第二、三階段的一次霧化與二次霧化過程離散態(tài)模擬。

數(shù)值計算設(shè)置液體質(zhì)量流量為0.037 5 kg/s。湍流模型采用可實現(xiàn)k-ε湍流模型。對于非離散態(tài)數(shù)值計算的邊界條件，分別在液體入口與蒸汽入口采用流量入口與壓力入口邊界條件，在滾筒出口采用靜壓出口邊界條件。在收斂性方面，初始計算時采用質(zhì)量流量進口，靜壓出口以加速收斂，當(dāng)進口壓力接近對應(yīng)工況的表壓時，再采用壓力進口進行迭代。為了提高連續(xù)性方程的收斂性，仿真采用默認壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)。亞松弛因子設(shè)置為0.3～0.5。

由于需要模擬噴嘴出口液滴的一次霧化與二次霧化，因此需要采用離散態(tài)數(shù)值模型對霧化過程進行建模與計算，此時需要開啟離散相模型(DPM)，并設(shè)定粒子時間步長為0.000 1 s，時間步數(shù)為10。射流源設(shè)置為空氣輔助旋流噴射器，射流粒子數(shù)為60，粒子類型設(shè)置為液滴(drople)，并將混合材質(zhì)定義為粒子工質(zhì)。對于射流源的設(shè)置，需要給定液體質(zhì)量流量為0.037 5 kg/s，射流孔直徑為4 mm，射流角度默認選取為45°。由于蒸汽介質(zhì)與液體的相對速度對于射流影響較為明顯，因此初次計算采用氣-液相對速度為100 m/s。對于滾筒內(nèi)霧化介質(zhì)的發(fā)展，數(shù)值模擬過程中未考慮重力影響。以非離散態(tài)的噴嘴與滾筒流場為初場，開展離散態(tài)DPM霧化流場數(shù)值計算，經(jīng)過至少步數(shù)為5 000的迭代計算，迭代步數(shù)間隔為10時噴射粒子，最終可得收斂后的霧化計算結(jié)果。

由于存在多種介質(zhì)，因此在計算中需要調(diào)用組分輸運模型，并定義工質(zhì)。本文中設(shè)定的工質(zhì)分別為水蒸氣及液體，其中液體的物性采用丙二醇工質(zhì)，不同溫度時液體密度、動力黏度以及表面張力參數(shù)如表2[12]所示。

表2 霧化液體物性參數(shù)[12]

為了探討不同蒸汽入口壓力以及氣-液相對速度對噴嘴霧化的影響規(guī)律，進行蒸汽入口壓力分別為2、3、4 bar(1 bar=100 kPa)工況時的數(shù)值計算，分別標(biāo)記為工況S1、S2、S3。另外，為了獲得噴嘴出口不同的液體與蒸汽相對速度，分別設(shè)定針閥開度即針閥相對位置為14、10、6 mm，分別對應(yīng)氣-液相對速度小、中、大3種工況，分別標(biāo)記為工況O1、O2、O3。具體計算工況如表3所示。

表3 不同蒸汽入口壓力與針閥開度對應(yīng)的計算工況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同蒸汽入口壓力工況時噴嘴霧化特性

圖4為蒸汽入口壓力3 bar時噴嘴與滾筒的離散態(tài)粒子速度分布云圖。由圖可知，噴嘴出口經(jīng)歷一次霧化與二次霧化過程后，霧化液滴在滾筒內(nèi)的分布面積較大，液滴速度在噴嘴出口軸向距離為1 m后快速衰減。在霧化液滴的空間分布上，霧化液滴粒子整體向Z軸正方向偏移，尤其是低速區(qū)域，在滾筒后半部分產(chǎn)生了明顯的徑向偏移現(xiàn)象。由于液體與蒸汽進氣接口沿Z軸呈非對稱結(jié)構(gòu)，因此噴嘴出口流動沿Z軸同樣呈現(xiàn)非對稱分布。在設(shè)置噴嘴在滾筒入口的徑向位置時，應(yīng)當(dāng)充分考慮噴嘴氣-液相進口非對稱性導(dǎo)致的射流流動在Z軸方向的非對稱分布規(guī)律。

圖4 蒸汽入口壓力為3 bar(1 bar=100 kPa)時噴嘴與滾筒的離散態(tài)粒子速度分布云圖

針對液體霧化結(jié)果的評價，除了液滴的空間分布特性以外，液滴粒徑是關(guān)鍵的評價指標(biāo)。圖5為不同蒸汽入口壓力工況時XZ平面霧化液滴粒徑分布云圖。由圖可知，液滴經(jīng)霧化后迅速擴散，并且沿Z軸正向產(chǎn)生偏移。工況S1中液滴粒徑在霧化場四周達到最大值，在霧化場的內(nèi)部則粒徑較小，約為1 μm。在噴嘴出口位置，Z軸負方向存在大粒徑液滴的局部聚集區(qū)域，可能是因出口旋流在入口非對稱速度分布的作用而產(chǎn)生的。在工況S2中，隨著蒸汽進口壓力的增加，噴嘴液滴在滾筒腔體內(nèi)的發(fā)展擴散范圍也有所增加，同時液滴粒徑分布規(guī)律仍然與工況S1中的保持一致。在S3工況中，噴嘴液滴在滾筒腔體內(nèi)的霧化范圍進一步增加，已經(jīng)觸及上筒壁，且噴射距離沿軸向進一步增加，已經(jīng)觸及滾筒出口位置。

圖6所示為不同蒸汽入口壓力工況時霧化液滴粒徑在不同軸向位置的分布云圖。由圖可知，在主流外部區(qū)域的液滴粒徑較流道中部的大，均為2 μm，而在中心軸向位置的液滴較小。隨著沿軸向噴射距離的增加，液滴粒徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著蒸汽入口壓力的增加，液滴粒徑整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，因此，在煙葉加料等加工過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮不同入流條件下噴嘴霧化場的噴射范圍以及粒徑變化規(guī)律，從而保證其加工效果。

(a)工況S1

表4所示為不同蒸汽入口壓力工況時霧化液滴粒徑統(tǒng)計結(jié)果，數(shù)值計算中噴射霧化液滴總數(shù)為1012數(shù)量級。當(dāng)蒸汽入口壓力為2 bar時，液滴最大粒徑為83.16 μm，最小粒徑為0.02 μm，平均粒徑為1.23 μm。當(dāng)蒸汽入口壓力增大至3 bar時，液滴粒子的最大與最小粒徑?jīng)]有明顯變化，但平均粒徑減小為1.20 μm。隨著入口壓力的進一步增大，液滴平均粒徑進一步減小為1.18 μm。由此可知，隨著蒸汽入口壓力的增加，噴嘴霧化的效果不斷改善，霧化液滴平均粒徑逐漸減小。

(a)工況S1

表4 不同蒸汽入口壓力工況時霧化液滴粒徑統(tǒng)計結(jié)果

2.2 不同針閥開度工況時噴嘴霧化特性

圖7所示為不同針閥開度工況時氣-液相對速度與噴嘴出口速度分布云圖。由圖可知，隨著氣-液相對速度逐漸的增大，噴嘴出口噴射角度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由此可知，為了實現(xiàn)最優(yōu)的噴嘴霧化效果，應(yīng)當(dāng)盡量使氣-液兩相的相對速度處于適中的數(shù)值，從而保證噴嘴的噴射角度與霧化效果。

表5所示為不同針閥開度工況時霧化液滴粒徑統(tǒng)計結(jié)果。由表可以看出：在工況O1時氣-液相對速度較小，液滴平均粒徑為1.28 μm，最大粒徑為149.76 μm，霧化液滴粒徑整體較大。在工況O3時氣-液相對速度較大，液滴最大粒徑顯著減小，平均粒徑為1.10 μm，液滴粒徑整體減小。由此可知，針閥開度對蒸汽與液體的相對速度及霧化液滴粒徑具有顯著影響，隨著氣-液相對速度的增大，液滴最大粒徑以及平均粒徑均減小，噴嘴霧化效果顯著提升。

表5 不同針閥開度工況時霧化液滴粒徑統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)論

本文中以某雙介質(zhì)噴嘴為主要研究對象，采用DPM離散態(tài)數(shù)值計算分析，研究不同工況下的霧化液滴的空間分布特性以及粒徑分布規(guī)律，揭示不同蒸汽入口壓力、針閥開度等參數(shù)對霧化特性的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)噴嘴液滴的速度在噴嘴出口軸向距離為1 m后快速衰減。在霧化液滴的空間分布上，霧化液滴整體向Z軸正方向偏移，尤其是低速區(qū)域，在滾筒后半部分產(chǎn)生了明顯的徑向偏移現(xiàn)象，原因是液體與蒸汽進氣接口沿Z軸呈非對稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴嘴出口霧化液滴沿Z軸同樣呈現(xiàn)非對稱分布。

2)隨著液滴沿滾筒軸向的擴散，霧化液滴的分散均勻性逐步改善，且在遠離噴嘴軸心位置時更顯著。霧化液滴隨著向滾筒出口處移動，在滾筒中的分布逐步趨于均勻。

3)噴嘴霧化液滴粒徑平均值約為1 μm。隨著蒸汽入口壓力的增大，噴嘴霧化效果不斷改善，霧化液滴平均粒徑逐步減小。氣-液相對速度改變同樣對霧化液滴粒徑具有顯著影響，隨著氣-液相對速度的增大，液滴最大粒徑以及平均粒徑均減小，噴嘴霧化效果顯著提升。