王保剛,李程前,張建峰,王 帥,李淑江,鑒冉冉

(青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,山東 青島 266000)

0 引 言

目前,霧化噴嘴已經(jīng)在人們的日常生活中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。例如,在電梯轎廂的消毒防疫以及礦井粉塵的治理等過(guò)程中,都有霧化噴嘴的應(yīng)用。

霧化噴嘴的主要功能是將液相工質(zhì)霧化成微小的霧滴,然后向外界環(huán)境擴(kuò)散。由于液滴霧化后得到的霧滴粒徑通常都是微米級(jí),增加了液滴的表面積,提高了與周圍環(huán)境的傳熱傳質(zhì)效率。

氣動(dòng)霧化噴嘴是一種新型霧化噴嘴,其主要特點(diǎn)是利用氣液兩相流的相互碰撞與摩擦,來(lái)實(shí)現(xiàn)液體霧化[4]目的。相較于傳統(tǒng)的壓力霧化噴嘴,氣動(dòng)霧化噴嘴具有霧化效果更好、工作壓力調(diào)節(jié)范圍更大、堵塞可能性更小、噴嘴結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、對(duì)液體壓力要求更低等優(yōu)點(diǎn)[5]。

在相同的工作參數(shù)設(shè)定下,噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸是影響霧化性能的主要因素。因此,近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越重視采用數(shù)值模擬的方法,以此來(lái)進(jìn)行噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。

吳恩啟等人[6]基于維多辛斯曲線理論,對(duì)噴嘴的出口結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,開(kāi)發(fā)出了一種新型的漸縮式氣動(dòng)霧化噴嘴,并且采用標(biāo)準(zhǔn)模型模擬了噴嘴霧化過(guò)程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠有效降低噴嘴內(nèi)部氣體壓力的損失,使氣流與液體之間相對(duì)速度增大,霧化更充分。丁江民等人[7]研究發(fā)現(xiàn),在噴射高黏度液體時(shí),采用現(xiàn)有的氣動(dòng)霧化噴嘴效率較低,因此,采用最大流量法將原噴嘴的內(nèi)部流道改為螺旋槽流道,并對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了兩相流仿真模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的噴嘴液相因流動(dòng)面積減少而致使流動(dòng)速度增加,從而改善了噴嘴霧化噴涂性能。周香林等人[8]開(kāi)發(fā)了一種超聲速氣動(dòng)霧化噴嘴,通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)其霧化流場(chǎng)進(jìn)行了觀察和分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),其液滴霧化破碎的過(guò)程遵循二次霧化破碎原理,霧化流場(chǎng)速度、壓力分布規(guī)律與采用Fluent軟件所模擬的結(jié)果基本相同,并且在不同參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果也與計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果基本吻合,證明了該方法的可靠性。DE L M等人[9]采用歐拉方法,研究了空心錐形噴嘴發(fā)出的液片霧化過(guò)程,描述了噴嘴內(nèi)的流動(dòng)和噴嘴外的噴霧液滴特征。SALVADOR F J等人[10]采用先進(jìn)的內(nèi)外流耦合模擬技術(shù),研究了柴油機(jī)橢圓噴嘴的偏心率對(duì)噴霧角度和穿透力的影響。AYDIN O等人[11]采用數(shù)值模擬方法,研究了不同的氣相壓力和噴嘴幾何形狀對(duì)氣動(dòng)霧化噴嘴出口處氣流速度的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),氣相速度與氣相壓力不成正比,當(dāng)氣相壓力為1.0 MPa時(shí),得到了最小氣相速度為631 m/s,而在氣相壓力為2.7 MPa時(shí),達(dá)到了最大氣相速度為663 m/s;通過(guò)改進(jìn)噴嘴幾何尺寸,可以在相同的氣體質(zhì)量流量比下獲得最大氣相速度,進(jìn)而改善霧化質(zhì)量。

目前,大多數(shù)的模擬研究都是以氣動(dòng)霧化噴嘴自身結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn),但從氣動(dòng)霧化裝置(簡(jiǎn)稱霧化器)的整體性出發(fā),對(duì)噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),并探究其霧化性能的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

霧化噴嘴是霧化器核心部件之一,而壓縮空氣和水都是由霧化器的內(nèi)部流道流向氣動(dòng)霧化噴嘴,因此,氣體和液體在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)受到霧化器整體結(jié)構(gòu)的限制。

此外,通過(guò)應(yīng)用激光光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),筆者確定了影響氣動(dòng)霧化噴嘴液體破碎過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù),發(fā)現(xiàn)對(duì)液滴尺寸大小影響最明顯的是霧化噴嘴內(nèi)的平均空氣速度。平均空氣速度的增加會(huì)導(dǎo)致空氣動(dòng)力的增加,從而減小液滴粒徑的大小[12]。所以,為了有效降低噴嘴氣體能量的損耗,需要對(duì)該裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行霧化速度和壓力流場(chǎng)仿真分析,通過(guò)改進(jìn)局部設(shè)計(jì)來(lái)減少非必要的能量損失,以此來(lái)提高氣體能量利用率,提升噴嘴霧化性能。

筆者對(duì)原噴嘴進(jìn)行霧化特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試[13-15],以驗(yàn)證上述仿真分析模型的有效性;在此基礎(chǔ)上,筆者對(duì)外混式氣動(dòng)霧化器進(jìn)行仿真研究,分析該裝置存在的問(wèn)題;進(jìn)而對(duì)原噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),并將其與改進(jìn)前的噴嘴進(jìn)行對(duì)比。

1 霧化器結(jié)構(gòu)及工作原理

霧化器主要由壺體、氣相通道、液相通道、氣動(dòng)霧化噴嘴等組成。

氣動(dòng)霧化噴嘴可以分為3種類型:(1)外混式;(2)內(nèi)混式;(3)復(fù)合式。

筆者研究的噴嘴結(jié)構(gòu)形式為外混式氣動(dòng)霧化噴嘴,壓縮空氣和液體會(huì)在噴嘴外部混合,并進(jìn)行霧化。噴嘴內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)為噴嘴帽、噴嘴主體、兩個(gè)對(duì)稱分布的氣相通道以及單個(gè)液相通道。

霧化器簡(jiǎn)化三維模型及外混式氣動(dòng)霧化噴嘴液滴射流破碎過(guò)程圖,如圖1所示。

圖1 霧化器三維模型及氣動(dòng)霧化噴嘴液滴射流破碎過(guò)程圖1—噴嘴帽;2—噴嘴主體;3—?dú)庀嗳肟赼;4—液相進(jìn)口;5—?dú)庀嗳肟赽;6—?dú)庀喑隹赽;7—液相出口;8—?dú)庀喑隹赼

外混式氣動(dòng)霧化噴嘴的霧化原理是:

高速氣流通過(guò)氣相通道從噴嘴出氣口(氣相出口斜度為α)射出,在氣動(dòng)霧化噴嘴液相出口處,因氣流的擾動(dòng)和擴(kuò)散作用,產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)壓區(qū)；后方低速液體射流從出水口噴出,由于Kelvin-Helmholtz的不穩(wěn)定性,液體射流會(huì)發(fā)生一次破碎,形成大顆粒液滴;在負(fù)壓區(qū)的作用下,大顆粒液滴被高速氣流吸入并進(jìn)行混合,在高速氣流中加速,被氣流沖擊剪切,進(jìn)而完成二次破碎[16],形成大量細(xì)小液滴。

2 霧化器數(shù)值模擬

2.1 原霧化器數(shù)值模擬

2.1.1 網(wǎng)格劃分

霧化裝置內(nèi)部流場(chǎng)三維網(wǎng)格圖及3種網(wǎng)格方案數(shù)量-質(zhì)量圖,如圖2所示。

圖2 霧化裝置內(nèi)部流場(chǎng)三維網(wǎng)格圖及3種網(wǎng)格方案數(shù)量-質(zhì)量圖

筆者采用Creo8.0 3D建模軟件,參照霧化器實(shí)物,按照1 ∶1建立原霧化器氣相通道流體域三維模型,并將其導(dǎo)入Workbench中的ICEM模塊,以進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)格劃分。

由于霧化器模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,故筆者采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

為了驗(yàn)證網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性,筆者對(duì)仿真模型進(jìn)行了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格劃分計(jì)算,結(jié)果表明:

當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目超過(guò)644 310個(gè)時(shí),霧化器出口處速度和壓力的誤差均不超過(guò)7%,表明其內(nèi)部流體域?qū)W(wǎng)格數(shù)量的依賴性較小[17]。3種網(wǎng)格劃分方案的最低網(wǎng)格質(zhì)量分別為0.29、0.34、0.33,均滿足該仿真模型需求。

因此,為了加快仿真計(jì)算收斂速度和穩(wěn)定性,筆者選擇霧化器內(nèi)部流體域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)141 236、單元數(shù)644 310的網(wǎng)格劃分方案。

2.1.2 計(jì)算模型設(shè)置

筆者利用ANSYSFluent19.0流體仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真分析(霧化介質(zhì)為空氣),并對(duì)整個(gè)氣相通道進(jìn)行仿真模擬。

該模擬采用連續(xù)相湍流可壓縮模型,數(shù)值計(jì)算的控制方程[18]如下:

其中,連續(xù)性方程為:

(1)

式中：ρ—流體介質(zhì)的密度；u，v，w—x、y、z方向的速度分量。

動(dòng)量方程為：

(2)

式中：Su，Sv，Sw—廣義源項(xiàng)。

能量方程為：

(3)

式中：E—流體的總能量；keff—有效導(dǎo)熱系數(shù)；T—溫度，℃；hj′—組分j′的比焓；Jj′—組分j′的擴(kuò)散流量。

流體的總能量為：

(4)

式中：h—比焓。

有效導(dǎo)熱系數(shù)為：

keff=k+kt

(5)

式中：k—分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)；kt—湍流導(dǎo)熱系數(shù)。

湍流模型選擇k-ε方程：

(6)

式中：ρ—流體密度；k—湍動(dòng)能；ε—耗散率；μ—流體的動(dòng)力黏度；Gk—由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gb—由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能；YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；xi—坐標(biāo)方向；μi—時(shí)均速度；μt—湍流黏度；σk，σε—k和ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Sk，Sε—用戶自定義源項(xiàng)；C1z，C2z，C3z—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(一般而言C1z=1.44，C2z=1.92，C3z=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)[19,20]分別為σk=1.0，σε=1.3)。

邊界條件設(shè)定如下:

工作溫度設(shè)置為298.15 K,求解器選擇密度求解器,連續(xù)相氣流入口邊界選擇壓力型入口,數(shù)值設(shè)定為0.3 MPa;出口邊界選擇壓力型出口,數(shù)值設(shè)定為0 MPa,空氣設(shè)置為可壓縮的湍流,幾何模型里的壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面,模型中不必考慮熱能耗散。

2.1.3 仿真結(jié)果及分析

當(dāng)霧化器氣相通道輸入壓力為0.3 MPa時(shí),筆者通過(guò)仿真計(jì)算得到了其結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣相通道流體域內(nèi)的壓力和速度矢量分布圖,如圖3所示。

從圖3可知:由于霧化器氣相通道結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱分布,其內(nèi)部氣相通道的流體域的壓力和速度流場(chǎng)也呈軸對(duì)稱分布。因此,筆者對(duì)霧化器局部氣相通道流體域流場(chǎng)分布特點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)分析即可。

由圖3(b)可知:當(dāng)高速氣流由壺體進(jìn)入氣相通道之后,會(huì)從噴嘴射出;氣體壓力在A點(diǎn)和B點(diǎn)兩處呈先增大后減小趨勢(shì),這說(shuō)明高速氣流在兩處發(fā)生了節(jié)流現(xiàn)象,造成了其局部能量的損失(A點(diǎn)是壺體孔口部位,節(jié)流現(xiàn)象不可避免;B點(diǎn)是壺體與噴嘴的連接處,由于噴嘴進(jìn)氣口截面積過(guò)小,導(dǎo)致噴嘴內(nèi)部壓力降低,也發(fā)生了節(jié)流現(xiàn)象)。

圖3 氣相通道在P=0.3 MPa下的壓力和速度分布

再由圖3(d)可知:壓縮氣體在B點(diǎn)達(dá)到最大速度,說(shuō)明噴嘴在此處耗氣量突然增加,導(dǎo)致霧化器供氣發(fā)生波動(dòng),進(jìn)而影響霧化效果。

綜上可知,霧化器的氣流能量損失和耗氣量驟增的現(xiàn)象都發(fā)生在壺體與噴嘴的連接處。

2.2 改進(jìn)后霧化器的數(shù)值模擬

2.2.1 改進(jìn)后的模型與網(wǎng)格劃分

為了減少氣相通道的節(jié)流效果,筆者將噴嘴主體掏空,使兩個(gè)對(duì)稱分布的圓形氣相通道變成兩個(gè)同心間斷環(huán)狀通道,其中,大圓半徑為5.5 mm,小圓半徑為4.5 mm。

氣相通道改進(jìn)后的噴嘴三維模型如圖4所示。

圖4 氣相通道改進(jìn)后的噴嘴三維模型

該結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案可以有效地增大噴嘴氣相通道的截面積,降低氣相通道的壓力,減少霧化器氣流阻力的損耗,進(jìn)而增加噴嘴氣流的射出速度,提高其霧化質(zhì)量。

為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性,針對(duì)改進(jìn)前后的氣動(dòng)霧化噴嘴的封閉空間,筆者進(jìn)行了噴氣模型的網(wǎng)格劃分。

噴嘴在封閉空間噴氣模型的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 噴嘴在封閉空間噴氣模型的網(wǎng)格

噴氣模型的網(wǎng)格信息參數(shù)如表1所示。

表1 噴氣模型網(wǎng)格信息參數(shù)

筆者設(shè)置霧化器氣相入口壓力為0.25 MPa,并在其他設(shè)置不變的情況下,對(duì)該改進(jìn)方案進(jìn)行仿真研究。

2.2.2 仿真結(jié)果及分析

噴嘴氣相通道壓力和速度分布,如圖6所示。

圖6 噴嘴氣相通道壓力和速度分布

從圖6可以得出:改進(jìn)后的氣相通道壓力降低,節(jié)流效果明顯減少;壓縮空氣在氣相通道內(nèi)速度沒(méi)有明顯增加,從而減輕了供氣波動(dòng)對(duì)霧化效果的影響;

同時(shí),氣動(dòng)霧化噴嘴射出的氣流速度較改進(jìn)前的速度有明顯增加,因而加強(qiáng)了氣流對(duì)液體的沖擊力,有利于促進(jìn)二次霧化的發(fā)生,提高其霧化效果。

3 噴嘴的數(shù)值模擬

3.1 幾何模型

在驗(yàn)證了氣相通道改進(jìn)的合理性后,筆者單獨(dú)針對(duì)兩種噴嘴的霧化性能進(jìn)行對(duì)比研究。

改進(jìn)后的噴嘴較原噴嘴改變了進(jìn)氣口截面形狀,增大了進(jìn)氣口截面積。其中,原噴嘴與改進(jìn)后的噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比結(jié)果,如表2所示。

表2 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 網(wǎng)格劃分以及計(jì)算模型設(shè)置

首先,筆者采用Creo對(duì)噴嘴進(jìn)行幾何建模。由于噴嘴幾何模型相對(duì)較復(fù)雜,而實(shí)際影響霧化效果的結(jié)構(gòu)區(qū)域只有氣流和液體通過(guò)的流體域,因此,筆者將噴嘴導(dǎo)入到ICEM中,對(duì)噴嘴的各個(gè)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行命名,抽取噴嘴的流道區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

噴嘴內(nèi)部流體域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 噴嘴內(nèi)部流體域網(wǎng)格劃分

兩相流模型的網(wǎng)格信息參數(shù)如表3所示。

表3 兩相流模型網(wǎng)格信息參數(shù)

氣液兩相流霧化屬于多相流問(wèn)題,一般采用VOF模型捕獲多相流交界面中的拓?fù)渥兓?即利用流體體積分?jǐn)?shù)跟蹤相與相之間的界面變化[21]。

筆者將求解器設(shè)置改為壓力基求解器,并在Fluent的material中,將霧化介質(zhì)設(shè)置為空氣,霧化工質(zhì)設(shè)置為水,其他計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置不變。

兩相工質(zhì)的物理屬性表如表4所示。

表4 兩相工質(zhì)的物理屬性

霧化仿真工作參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表5所示。

表5 霧化仿真工作參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果及分析

為了充分研究氣相參數(shù)對(duì)噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)特性的影響,筆者以氣相壓力作為自變量,選取4個(gè)不同水平參數(shù),對(duì)其內(nèi)外部流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,并利用CFD-post19.0后處理軟件,得到霧化流場(chǎng)的壓力和速度云圖,進(jìn)而得到噴嘴改進(jìn)前后壓力和速度變化規(guī)律。

3.3.1 不同氣壓下壓力云圖

當(dāng)氣相壓力分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa和0.7 MPa時(shí),兩相流噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的壓力分布仿真結(jié)果,如圖8所示。

圖8 原噴嘴與改進(jìn)后噴嘴的壓力云圖

由圖8可知:隨著氣相壓力逐漸增加,原噴嘴和改進(jìn)后的噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)壓力也在逐漸增大;

在同一氣相壓力下,改進(jìn)后的噴嘴內(nèi)部氣相流場(chǎng)壓力更大,說(shuō)明噴嘴在結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后,由于壺體與噴嘴氣相入口的連接處截面積增大,從而導(dǎo)致節(jié)流現(xiàn)象的產(chǎn)生和氣體能量的損耗減少;并且因?yàn)閲娮鞖庀嗔鲌?chǎng)壓力分布更加均勻,使噴嘴整個(gè)氣相通道受力都較為均勻,所以延長(zhǎng)了噴嘴的使用壽命;

同時(shí),當(dāng)氣相壓力從0.1 MPa逐漸增加到0.3 MPa時(shí),會(huì)導(dǎo)致氣流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用加強(qiáng),在噴嘴出口附近形成不穩(wěn)定的負(fù)壓區(qū)。該負(fù)壓區(qū)會(huì)對(duì)液體形成吸力,加大其射流速度,從而利于保持液體噴霧效果的穩(wěn)定性;

當(dāng)氣相壓力超過(guò)0.3 MPa時(shí),噴嘴液相出口附近負(fù)壓效果更加明顯,符合伯努利原理[22],說(shuō)明該模擬結(jié)果真實(shí)可靠。

3.3.2 不同氣壓下速度云圖

原噴嘴和改進(jìn)后的噴嘴在不同氣壓下內(nèi)外流場(chǎng)速度分布云圖,如圖9所示。

圖9 原噴嘴與改進(jìn)后噴嘴的速度云圖

分析圖9可知:

在原噴嘴中,由于噴嘴進(jìn)氣口截面積較小,在相同氣壓下,噴嘴內(nèi)部的氣相通道進(jìn)氣口附近速度會(huì)比改進(jìn)后的噴嘴速度更快;但是,改進(jìn)后的噴嘴速度和原噴嘴速度在出氣口附近相差不多。這是由于改進(jìn)后的噴嘴因進(jìn)氣口截面積擴(kuò)大,進(jìn)氣量足,而在噴嘴出氣口附近截面積驟然變窄,產(chǎn)生了節(jié)流現(xiàn)象,使得管道壓強(qiáng)變小,從而導(dǎo)致氣流速度變大;

因原噴嘴自身材料的問(wèn)題,以及其內(nèi)部氣相通道一直有高速氣流沖刷,導(dǎo)致其在使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),氣相通道會(huì)有一定的磨損,從而降低了噴嘴自身的霧化性能。而改進(jìn)后的噴嘴僅在噴嘴帽出氣口附近有高速氣流通過(guò),所以氣相通道的磨損相對(duì)減少,且噴嘴帽便于更換,故使噴嘴的使用性能得到了提高。

筆者現(xiàn)在取噴嘴兩出氣口中心為端點(diǎn)做直線,在直線上采用post后處理軟件拾取點(diǎn)功能,取直線上10個(gè)點(diǎn)的速度求平均值,當(dāng)作氣液混合流體軸向平均速度。

不同氣壓下噴嘴氣相通路改進(jìn)前后速度曲線,如圖10所示。

圖10 不同氣壓下噴嘴氣相通路改進(jìn)前后速度曲線

分析圖10可知:當(dāng)氣相壓力為0.1 MPa時(shí),原噴嘴出口噴霧的平均速度為8.94e+1 m/s,改進(jìn)后的噴嘴出口噴霧的平均速度為9.56e+1 m/s,速度性能提升了6.94%;

當(dāng)氣相壓力為0.30 MPa時(shí),原噴嘴出口噴霧的平均速度為1.48e+2 m/s,改進(jìn)后的噴嘴出口噴霧的平均速度為1.65e+2 m/s,速度性能提升了11.49%;

當(dāng)氣相壓力為0.5 MPa時(shí),原噴嘴出口噴霧的平均速度為2.14e+2 m/s,改進(jìn)后的噴嘴出口噴霧的平均速度為2.23e+2 m/s,速度性能提升了4.21%。

在改進(jìn)后噴嘴的氣相通路截面積速度云圖中,與原噴嘴相比,在噴嘴出口處形成了更加明顯的渦流,其流場(chǎng)也變得相對(duì)穩(wěn)定,說(shuō)明氣相沖擊力剛好使得液體工質(zhì)發(fā)生了霧化,沒(méi)有多余氣體能量向四周擴(kuò)散,使得液相工質(zhì)的流動(dòng)變得相對(duì)通暢,從而避免了改進(jìn)后的噴嘴出口處出現(xiàn)滴水以及氣體噪音的現(xiàn)象[23];

并且,噴嘴軸向噴霧速度云圖擴(kuò)散得更遠(yuǎn),也更加對(duì)稱,這也表明了改進(jìn)后的噴嘴出口處高速液滴占比更多、速度更快,二次霧化沖擊剪切力更強(qiáng),從而有助于提高噴嘴的霧化質(zhì)量,加快霧滴擴(kuò)散速度;

當(dāng)氣相壓力為0.7 MPa時(shí),原噴嘴出口噴霧的平均速度為2.36e+2 m/s,改進(jìn)后的噴嘴出口噴霧的平均速度為2.45e+2 m/s,速度性能提升了3.81%。

以上這些數(shù)據(jù)均表明:(1)針對(duì)氣相通路進(jìn)氣口面積的改進(jìn)設(shè)計(jì)模擬,可以加強(qiáng)氣動(dòng)霧化噴嘴的噴霧效果;(2)但是當(dāng)氣相壓力超過(guò)0.5 MPa時(shí),由于氣相沖擊力過(guò)大,部分氣流沖出霧化區(qū)域,就會(huì)導(dǎo)致噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定性和對(duì)稱性的降低,從而影響霧化質(zhì)量,甚至還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈氣流噪音[24]。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者以霧化器為研究對(duì)象,基于Fluent對(duì)氣動(dòng)霧化噴嘴內(nèi)部氣相通道流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析得出了原設(shè)計(jì)中氣體能量損失的原因,由此對(duì)原設(shè)備進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)改進(jìn),并對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算研究。

研究結(jié)果表明:

(1)由于原設(shè)備壺體與噴嘴連接處產(chǎn)生節(jié)流現(xiàn)象,且氣流阻力損失主要在噴嘴上,筆者通過(guò)把噴嘴主體掏空,讓噴嘴進(jìn)氣口由原來(lái)圓形截面變成環(huán)形截面,使得原設(shè)備氣相通道壓力減少,從而改善了噴嘴節(jié)流現(xiàn)象;

(2)改進(jìn)后的噴嘴隨著氣壓的增大,噴嘴內(nèi)流場(chǎng)壓力較原噴嘴也有所增大,但是由于高速氣體路徑縮短,從而減少了噴嘴內(nèi)部氣流的損耗,減輕了氣相通道的磨損,延長(zhǎng)了噴嘴的使用壽命;

(3)與原噴嘴速度相比,改進(jìn)后的噴嘴外部流場(chǎng)噴霧速度更快,霧化流場(chǎng)對(duì)稱性更強(qiáng),并與氣相壓力成正相關(guān),這有利于提高霧滴的擴(kuò)散和破碎速度,進(jìn)而改善霧化的效果;同時(shí),隨著氣相壓力的增加,噴嘴出口處噴霧速度的增長(zhǎng)率在減小,這說(shuō)明當(dāng)氣相壓力增加到一定數(shù)值后,對(duì)噴霧速度的影響將會(huì)越來(lái)越小;當(dāng)氣相壓力為0.7 MPa時(shí),改進(jìn)后的噴嘴速度會(huì)達(dá)到最大2.45e+2 m/s,但容易因氣壓過(guò)高原因,導(dǎo)致噴嘴出現(xiàn)過(guò)噴和氣流噪音大的問(wèn)題,從而降低其經(jīng)濟(jì)性。另外,當(dāng)氣壓為0.3 MPa時(shí),改進(jìn)后的噴嘴速度達(dá)到1.65e+2 m/s,速度性能提升值達(dá)到最大，提升了11.49%。

因此,要提高噴嘴的霧化穩(wěn)定性,可以考慮將其氣壓固定在稍大于0.3 MPa附近,這時(shí)噴嘴的霧化質(zhì)量會(huì)更好。

在后續(xù)的工作中,筆者將要對(duì)改進(jìn)后的噴嘴進(jìn)行實(shí)際的加工制造,并采用試驗(yàn)的方法,進(jìn)一步改善噴嘴的霧化特性,并將改進(jìn)后的噴嘴應(yīng)用到電梯轎廂的消毒中,研究噴嘴霧滴在電梯內(nèi)的擴(kuò)散分布效果及規(guī)律,為電梯快速高效消毒提供設(shè)計(jì)思路與理論指導(dǎo)。