沈正昊,丁國清,陳 欣

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 201100)

0 引言

扇形噴嘴以其搭建簡單、霧化效果好、噴射壓力大的特點,在農(nóng)藥噴灑[1]、噴霧清洗[2]以及噴霧冷卻[3]等場合得到廣泛使用。扇形噴嘴噴射的霧場為扇形,單次噴灑在被噴灑面上會形成如長橢圓形的噴灑區(qū)域,這種特殊的噴灑形狀對于多次噴灑流量均勻分布具有積極意義。

為了提高扇形噴嘴的應(yīng)用效率,選擇符合需求的噴嘴,對于霧化的理論與應(yīng)用的研究也在不斷地發(fā)展。目前對于霧化噴嘴的研究方向主要有以下2個方面:一是霧化機理方面,主要研究液體在液膜或液柱的形態(tài)下與空氣相互作用,產(chǎn)生一次碎裂與二次碎裂的機理,進而對液滴霧化半徑、大小、半徑分布等多種參數(shù)進行理論研究;二是噴嘴優(yōu)化方面,主要針對噴嘴的流量、霧化角以及霧化均勻性等方面對噴嘴性能進行優(yōu)化,使噴嘴更加符合工業(yè)需求,而優(yōu)化的主要方式為改變噴嘴孔徑、切槽角、相對切深等扇形結(jié)構(gòu)參數(shù)。研究方式包括通過實驗平臺與對應(yīng)儀器(高速攝影、相位多普勒粒子分析儀等)獲取數(shù)據(jù)進行研究以及基于CFD(computational fluid dynamics)仿真計算對霧化噴嘴的內(nèi)外流場進行仿真計算研究。

在霧化噴嘴破碎機理方面,整體的破碎機理已經(jīng)有了比較完備的研究,對于液滴破碎與湍流動能、液體密度以及液體黏度等特性對液滴破碎的影響已經(jīng)有了較完備的研究。至今,針對破碎模型仍在不斷補充與修正,如程會川等[4]研究韋伯?dāng)?shù)對霧化噴嘴一次破碎影響規(guī)律,Khezzar等[5]利用高速攝影及相位多普勒風(fēng)速儀對水-空氣射流霧化器噴霧的平均液滴尺寸和速度分布進行了測量。

由于噴嘴優(yōu)化與生產(chǎn)實際具有很強的關(guān)聯(lián)性,因此對這一方面的研究也是目前的主流,且在實驗研究與仿真計算研究2個方面都有較為深入的探究。如在實驗方面,Wei等[6]通過實驗的方式探究了噴嘴的液滴尺寸、壓力與流量等參數(shù),劉冬梅等[7]對扇形噴頭的結(jié)構(gòu)與壓力對霧滴分布及活性的影響進行了研究。在CFD仿真計算領(lǐng)域,由于計算機計算性能的提升,基于有限元仿真計算噴霧流場的研究也在不斷進行,陳雁等[8]使用歐拉-歐拉法對噴槍的噴涂流場性能進行了研究,侯俊花[9]使用仿真計算與實驗驗證的方式研究了噴嘴形狀對于噴嘴性能的影響。

然而,目前對于噴嘴性能優(yōu)化的研究主要集中在改善霧化質(zhì)量、改變霧化角度及研究霧化液滴的直徑分布等內(nèi)容,對于如何改善噴嘴的霧場分布仍較有限。目前主流的觀點認為,扇形噴嘴的霧場分布一般有均勻分布與近高斯分布2種情況。然而在實際使用中發(fā)現(xiàn),噴嘴的霧量濃度分布與主流觀點以及廠家提供的信息具有差距,最后產(chǎn)生的結(jié)果為具有三峰的流量分布,而非均勻或類似高斯分布。在研究與使用過程中,這種流量分布已經(jīng)被研究人員所發(fā)現(xiàn)[10],且研究人員發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種分布與噴嘴自身參數(shù)具有關(guān)聯(lián)性,然而對于噴嘴參數(shù)如何影響霧場流量的分布,如何得到更均勻的扇形噴嘴的研究仍然很少。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的可能原因有:

1) 對于扇形噴嘴的應(yīng)用場合,目前的均勻度已經(jīng)可以支撐實際生產(chǎn),現(xiàn)有的模型具有一定誤差。

2) 目前主流的研究都基于噴霧的速度場與粒徑研究,速度場與粒徑分布具有較高的均勻性。

3) 若需要足夠均勻分布的噴嘴,則有性能更好的其他噴嘴類型選擇。

使用CFD仿真計算,對影響噴嘴霧場分布的噴嘴參數(shù)進行了研究,以提高扇形噴嘴霧場流量分布的均勻性,對改進噴嘴均勻度具有指導(dǎo)意義。

1 噴霧原理

1.1 碎裂模型

在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中,噴嘴已經(jīng)發(fā)展出多種品類,例如生活中的花灑、噴霧罐以及工業(yè)中的各種噴嘴。從使用方式上來講,噴嘴的噴霧方式主要包括單相噴嘴以及兩相噴嘴。無論是單相噴嘴還是兩相噴嘴,其霧化的原理具有一致性,主要靠噴嘴噴射出液體后與空氣之間的相互渦流作用,最終打碎成細小的液滴,實現(xiàn)噴霧的功能。而兩相噴嘴的空氣相具有更大的能量,從而能將液體撕裂[11]。

從霧化形式上講,霧化一般認為有圓射流破碎霧化與液膜破碎霧化2種類型。噴嘴噴出的實心液體柱被稱為液體圓射流。當(dāng)圓射流從噴嘴連續(xù)噴出時,其與外界氣體相互作用,從而在表面形成一定模式的振動波。振動波振幅會逐漸增大,當(dāng)超過液體表面張力時會碎裂成液片和大顆粒的液滴。

液膜破碎霧化根據(jù)噴嘴類型可分為平面液膜和環(huán)形液膜[12]。與圓射流類似,當(dāng)液膜射流從噴嘴噴出后,與周圍空氣相互作用,導(dǎo)致液膜表面形成振動波,振動波振幅逐漸增大,最終碎裂成液滴。York等[13]對平面液膜的破碎機理進行了理論和實驗研究,認為液膜表面波的波長、頻率、氣體的流動速度、液膜的表面張力以及氣液密度都會影響液膜的碎裂,其碎裂半徑如下:

(1)

式中,qm為液體的質(zhì)量流量; ΔP為噴射壓力與環(huán)境氣體背壓之差;σl為液膜表面張力系數(shù);ρg為環(huán)境氣體的密度。

而液膜破裂為霧滴的時間為:

(2)

1.2 扇形噴嘴噴霧原理

扇形噴嘴是一種平面液膜噴嘴,最終產(chǎn)生窄橢圓形或窄矩形的霧流,如圖1所示。這種噴嘴是由撞擊式噴嘴演化而來的[14]:當(dāng)兩股直徑和流速相等射流以不小于90°的夾角碰撞時,在碰撞的位置會產(chǎn)生扇形平面液膜,實現(xiàn)噴嘴霧化,如圖2所示。扇形噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)能夠在噴嘴內(nèi)部實現(xiàn)類似的射流碰撞效應(yīng),從而在噴嘴出射口實現(xiàn)扇形液膜。相比于圓射流原理的霧化噴嘴,扇形噴嘴流量范圍大、霧化角范圍大且低壓下霧化性能好,具有很大的優(yōu)勢。

圖1 扇形噴嘴噴射霧流示意圖

1.扇形噴;2.圓射流噴嘴

1.3 霧場分布參數(shù)

1) 霧化錐角。霧化錐角是指2個噴霧弧的切線之間的夾角,反映了霧化噴嘴能夠噴射的最大范圍。霧場分布會受到噴射范圍的影響,均勻度和流量也有一定影響。

2) 流量分布。流量表示某一位置流過液體的瞬時流量,是整個霧場分布的基礎(chǔ),是實際生產(chǎn)中關(guān)心的參數(shù),決定了最終噴灑的均勻度。

2 噴嘴流場計算域與網(wǎng)格劃分

計算域模型與網(wǎng)格劃分是仿真計算準確的基礎(chǔ),較為稀疏的網(wǎng)格劃分能夠加快計算的速度,提高運算的效率,而相對應(yīng)的是可能會造成結(jié)果精度上的誤差;較為密集的網(wǎng)格劃分能夠保證計算結(jié)果的精度,而相對應(yīng)的是運算設(shè)備的負荷相對較大。

2.1 內(nèi)流域模型

扇形噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示,結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 扇形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

基于上述參數(shù)對噴嘴的內(nèi)部流場模型使用Design Modeler(DM)進行了模型搭建,該結(jié)構(gòu)為流場仿真計算域,如圖4所示。

圖4 扇形噴嘴內(nèi)部流場模型

2.2 外流場與區(qū)域劃分

外流場將直徑50 mm、高度50 mm的區(qū)域作為計算域,同時噴嘴與外流場之間還有一段連接域,在該連接域?qū)崿F(xiàn)兩股射流的碰撞,形成扇形液膜。最終得到的扇形噴嘴及過渡區(qū)域與外流場如圖5所示。

圖5 扇形噴嘴及過渡區(qū)域與外流場

基于仿真計算與后處理的需求,對內(nèi)外流場計算域進行區(qū)域劃分,結(jié)果如圖6所示。Inlet為液體注入口,其作用為向噴嘴內(nèi)部進行噴射。Wall為壁面,具有阻擋流體的作用,在計算過程中將計入該壁面的影響。其余壁面都被設(shè)置為Outlet,為計算出口,軟件會計算該位置為開放域。Air空間域為外部的部分流場域,為后處理分析的主要區(qū)域。Puz空間域為噴嘴內(nèi)流場影響的主要區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)部流速以及流量大小與Air域有很大的差距,因此與Air域分離計算。

圖6 內(nèi)外流場區(qū)域劃分示意圖

2.3 網(wǎng)格劃分

過密的網(wǎng)格會加大計算量,從而導(dǎo)致計算的收斂性較差[15]。網(wǎng)格劃分的原則為在復(fù)雜計算的位置進行較密集的網(wǎng)格劃分,而在簡單計算的位置進行較稀疏的網(wǎng)格劃分,中間過渡階段實現(xiàn)網(wǎng)格從密到疏的過渡。

2.3.1 網(wǎng)格加密

在噴嘴內(nèi)部與噴嘴射出后的外流道處,液流互相碰撞并擴散,從而產(chǎn)生具有扇形形狀的霧場,是液流快速變化的區(qū)域,因此該部分需要人為手動進行加密處理。Meshing軟件的加密功能能夠在被加密區(qū)域形成足夠的有限元,確保被計算區(qū)域的精度。模型中,在噴嘴孔徑內(nèi)能夠生成尺寸小于孔徑1/10的有限元網(wǎng)格,保證液流流動的準確性。

2.3.2 網(wǎng)格質(zhì)量

網(wǎng)格偏度是評價網(wǎng)格劃分好壞的重要標準[16],表示了單個有限元網(wǎng)格相較于標準網(wǎng)格的偏移量,是一個0～1的數(shù)字,越接近1則代表該網(wǎng)格質(zhì)量越差。

在最終劃分結(jié)果中,絕大部分網(wǎng)格的偏度在0.14～0.5的范圍內(nèi),平均偏度為0.254,最大偏度為0.91,最小偏度約為0,滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

2.3.3 網(wǎng)格尺寸

網(wǎng)格尺寸代表網(wǎng)格基本單元的尺寸長度。為了驗證網(wǎng)格無關(guān)性,分別選取0.5、1、1.5、5 mm尺寸的網(wǎng)格,根據(jù)基礎(chǔ)模型進行仿真計算,獲得噴霧流場的容積分布云圖,如圖7所示。

圖7 仿真計算容積分布云圖

使用5 mm尺寸網(wǎng)格的仿真結(jié)果與另外3種尺寸網(wǎng)格相差較大,因此并不能使用5 mm尺寸網(wǎng)格。將網(wǎng)格尺寸從1.5 mm一直減小到0.5 mm,得到的仿真結(jié)果變化不大,同時0.5 mm尺寸與1 mm尺寸的網(wǎng)格仿真結(jié)果的變化已經(jīng)較小,繼續(xù)提高網(wǎng)格的精細程度會造成計算結(jié)果難以收斂、計算時間較久的問題,因此綜合考慮計算性能后,將1 mm尺寸的網(wǎng)格作為研究使用的網(wǎng)格尺寸。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

3 數(shù)值求解

3.1 湍流模型

湍流模型使用Realizablek-ε模型進行模擬計算。在Realizablek-ε模型中,會對k與ε兩個變量進行計算,與之對應(yīng)的運算方程為[17]:

Gb-ρε-Ym+Sk

(3)

(4)

式中,Gk由平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生;Gb由浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生;Ym為可壓縮湍流脈動碰撞對總耗散率的影響;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù),分別取1.44、1.92、0.09;σk、σε為湍動能和湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù),分別取1.0、1.3。

3.2 兩相流基本控制方程

質(zhì)量守恒方程為:

(5)

式中,下標q為g和d時,分別表示氣相和液相;αq為相體積率;νq為q相的速度(m/s);ρq為q相的密度(kg/m3)。

動量守恒方程為:

-αq▽p+▽τq+αqρqg+Ftd,q+Fq

(6)

式中,τq為q相的粘性應(yīng)力(N/m2);p為相共用的壓力(N/m2);g為重力加速度(m/s2),Ftd,q為q相的單位體積湍流分散力(N/m3);Fq為單位體積相間作用力(N/m3)。

3.3 模擬條件和參數(shù)設(shè)定

對扇形噴嘴模型在正常使用過程中的霧量均勻性進行研究,其中需要考慮重力因素,靜止時充滿空氣,模型基于水相與氣相之間的相互作用進行計算,因此求解模型設(shè)置為兩相流模型。整個求解時間設(shè)定為0.01 s,仿真實驗結(jié)果顯示該時間下整個動態(tài)仿真模型能夠達到穩(wěn)定噴射狀態(tài),進入穩(wěn)定噴射狀態(tài)后的后續(xù)狀態(tài)不會產(chǎn)生較大幅度變化,接近于實際生產(chǎn)過程的噴射狀態(tài),同時盡可能簡化計算步驟,減少計算量。

將仿真模型Inlet表面設(shè)置為壓力入口界面,射入物質(zhì)設(shè)置為100%水,其他位置設(shè)置為初始0%水,對應(yīng)100%空氣。外流場的Outlet邊界設(shè)定為壓力出口,且均采用escape邊界條件。

數(shù)值計算結(jié)束后,軟件將保存計算結(jié)果,使用后處理軟件CFD-POST即可對數(shù)據(jù)進行深入的可視化處理。使用CFD-POST中的自定義公式功能,對噴灑平面上的霧量流量進行計算,計算式為:

Qw=Fraw×Vw×d

(7)

式中,d為扇形長軸方向上有限元的寬度;Fraw為該有限元內(nèi)水的占比;Vw為該有限元計算得到的整體流速。

初始設(shè)置模型噴射壓力為0.3 MPa,接口形狀為球形。有限元計算基于ANSYS Fluent商業(yè)軟件,計算方法為有限體積法,基于Windows 64位操作系統(tǒng)的12核心Xeon CPU工作站,運行內(nèi)存為128 G。

4 結(jié)果與分析

4.1 噴霧流場形狀

計算結(jié)束后,最終對流量Q進行后續(xù)處理,取空間中的3個切面進行可視化等值面顯示,最終得到的結(jié)果如圖9所示。通過結(jié)果比較可知,流量分布的范圍與扇形噴嘴的理論范圍基本具有一致性,有扇形的長軸與短軸,符合預(yù)期。通過對圖形的初步觀察,發(fā)現(xiàn)其流量分布具有兩側(cè)流量增大的特性,與實驗結(jié)果相符。

圖9 噴霧流場形狀

為了改善噴嘴霧場的分布均勻性,需要研究扇形噴嘴的參數(shù)對霧場均勻性的影響,下面從切槽角、切深、接口形狀以及噴射壓力方面探究扇形噴嘴參數(shù)的影響。

4.2 切槽角

選擇30°、55°、80°的切槽角,分別計算流量在長軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖10所示。

鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用彈塑性硬化的兩折線模型，如圖1所示。其中彈性模量Es=2.0×105 MPa、屈服強度fy、強化段應(yīng)變長度Δεy及極限強度fu根據(jù)材性試驗確定，泊松比為0.3。

圖10 不同切槽角下霧場流量等值面分布云圖與長軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,切槽夾角對于流量的分布具有較大影響,切槽角度越小,扇形噴射的范圍越大,且由于孔徑大小一定,其總流量變化幅度不大,噴射范圍增大使得在大范圍下的單位面積流量減小,同時兩側(cè)的峰值均有一定程度減小,對于霧化效果有一個優(yōu)化的作用。但是通過改變切槽角度并沒有使流量分布中左右2個峰值完全消失。由于范圍變化的平均化效果,其峰值也會有一定的降低,80°切槽的噴嘴具有最大的峰值,其峰值甚至高于中心位置,若是范圍過大,其流量變化的峰谷寬度會進一步增大,單位面積的流量降低,將導(dǎo)致噴灑的效果降低,同時可能使得兩側(cè)峰值與內(nèi)部的差距更加明顯。因此減小切槽角度能夠在一定程度上降低兩側(cè)峰值的影響,提高流量分布的均勻性,但還是需要根據(jù)實際生產(chǎn)選擇合適的切槽角。

4.3 切深

基于原始模型,分別將切深增加、減少,變化幅度為0.3 mm,分別計算流量在長軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖11所示。根據(jù)流量分布可知,切深的效果與切角的效果類似,都增加了噴射范圍,然而增加切深也提高了中間的整體流量,因此雖然中心位置的容積圖顯示其流量分布為兩側(cè)多、中心少,但是最終的累計流量具有均勻性,從而使得霧場流量的過渡更加平緩,相較于減小切角對于提高均勻性更具有正面意義。

圖11 不同切深下霧場流量等值面分布云圖與長軸流量分布曲線

4.4 接口形狀

基于原始模型,改變接口形狀為徑向上的長橢球與扁橢球,分別計算流量在長軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同接口形狀下霧場流量等值面分布云圖與長軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,接口形狀對于流量的分布具有很大的影響。結(jié)合流量分布圖與等值面圖,基于球狀接口,形狀發(fā)生拉長,在長橢球的情形下會使兩側(cè)的峰值范圍進一步增加,使不均勻度進一步增強,具體表現(xiàn)為在整體流量變化微小的情況下,中心部分的流量減少,這部分流量往兩側(cè)峰值部分靠攏,形成兩側(cè)流量更大,中心部分流量更小的流量分布。而對于球狀接口形狀發(fā)生壓縮,在扁橢球的情況下會使兩側(cè)的峰值流量減少,具體表現(xiàn)為兩側(cè)的峰值流量在一定程度上以自身為中心向外偏移,使得整體的流量更加具有均勻性。

4.5 噴射壓力

基于原始模型,改變噴射壓力,選擇0.15、0.3、0.5 MPa的噴射壓力,分別計算流量在長軸的等值面與向下噴射35 mm處、在長軸方向上的流量分布,結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同噴射壓力下霧場流量等值面分布云圖與長軸流量分布曲線

根據(jù)流量分布可知,不同壓力條件對于霧場的散射角與流量分布影響不大,噴射壓力對于整體的流量大小具有一定影響,且是一種正相關(guān)的線性關(guān)系;同時可以看到在等值面的末尾,霧場形狀具有略微的偏折,壓力越大則這種偏折效果越小,這是由重力加速度引起的偏折,因此壓力越大,其流場的速度越大,受到重力加速度的影響越小。由此可知,霧場的噴射角度與噴射壓力之間的關(guān)系是與重力加速度共同影響產(chǎn)生的,其本身并不會對霧場的角度造成影響。

4.6 仿真小結(jié)

通過對仿真瞬態(tài)計算的慢速觀察,能夠發(fā)現(xiàn)最終噴射的流量分布狀態(tài)與液流最初從噴嘴口射出時的分布狀態(tài)具有很大的關(guān)聯(lián)。液流在噴射最開始時就已經(jīng)展現(xiàn)出三峰分布的趨勢,如圖14所示,而噴射后的液膜擴散運動也只是放大了這種趨勢。

圖15 噴嘴口切口縱截面示意圖

基于這種分析可以對噴嘴參數(shù)對于噴霧流場的影響進行總結(jié):

1) 改變噴射壓力對于噴射出口的液流分布沒有影響,因此對出射時的流量分布沒有影響,但是會影響出射時的速度。此時影響的是液膜的擴散性,若其擴散性能遠小于重力或者張力,則噴霧的效果會大打折扣。

2) 改變槽切角會改變噴射時的液流對撞角度,從而影響其擴散性能,同時也改變了出射的孔徑,因此減小槽切角,會增加擴散性能,減小整體的流量,中心與兩側(cè)的峰值都因擴散性能得到了緩解,從而在一定程度上增加了均勻度。但是奇異點并沒有從根本上消失,因此仍然具有兩側(cè)的雙峰。

3) 改變切深能夠改變邊緣奇異點的效果。與改變切角不同的是,增加切深會使得切口的整體變大,從而減小兩端的奇異點效果。

4) 改變接口形狀能夠改變液流在噴嘴內(nèi)部聚集的效果,從而改變出射后的流量分布。將接口形狀變?yōu)楸鈾E球形會增大中心的擴散效果,同時減小切口兩端的奇異點效果,最終使得整體的均勻性有一定程度的提升。

5 結(jié)論

仿真研究結(jié)果表明,扇形噴嘴霧場流量趨勢具有3個峰值,噴霧流場的均勻性能差,不能滿足高精度的生產(chǎn)要求。噴嘴的兩側(cè)峰值由切口與內(nèi)徑之間的偏差產(chǎn)生的液流奇異點導(dǎo)致的。噴嘴槽切角、噴嘴切深以及噴嘴接口形狀都會對噴嘴噴霧流場的均勻性產(chǎn)生影響。槽切角主要影響液流的擴散性能,可通過增加擴散性能來改善噴嘴噴霧流場的均勻性。切深能夠改善邊緣的奇異點,從而改善噴霧流場的均勻性能。改變接口形狀能夠同時改善擴散性能與奇異點,從而改善噴嘴噴霧流場的的均勻性。針對扇形噴嘴流量均勻性的改善,需要綜合考慮槽切角、切深以及接口形狀,并且深入理解邊緣奇異點與噴嘴的擴散性能對噴霧流場的均勻性的影響。研究結(jié)果表明基于扇形噴嘴實現(xiàn)均勻噴射具有可行性。