一种造雪机核子器喷嘴的喷雾性能的仿真分析

杨玉昆，王加国，施法，白鹏程，王莎莎，董子昂，金向阳,3

（1.哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨150028；2.黑龙江省乾升冰雪设备制造有限公司，哈尔滨150028；3.虚拟制造技术福建省高校重点实验室，福建 泉州362000）

0 引言

喷雾在生产生活中广泛应用，几乎覆盖了所有领域。例如液体火箭发动机推力室内的燃料雾化性能的好坏决定了发动机性能的高低[1]；农业生产中的农药的合理雾化有助于提高农药的利用率，降低成本[2]；喷雾湿式降尘方法在煤矿降尘工作中得到广泛应用，有效降低了矿井的危险指数，保障了生产安全[3]。另外，喷雾消毒防疫在此次疫情中扮演了重要的角色，公共场合的喷雾消毒，在控制疫情的发展中具有重要的价值和意义[4]。喷嘴是实现雾化的一种重要工具，研究喷嘴的喷雾机理和雾化性能，对合理利用喷嘴具有重要的参考价值和意义。本文所研究的喷嘴利用在造雪机上，用于雾化产生细小的液滴，在冰冷的环境下，细小的液滴通过附着空气中的灰尘颗粒等成为晶核，通过不断吸附空气中的液滴生长成为冰晶，再生长成为雪花[5]。

本文针对该喷嘴，利用仿真计算的方法对其喷雾过程进行了数值模拟，分析了该喷嘴的喷雾机理和雾化性能，为造雪机核子器喷嘴的选型提供参考和帮助。

1 仿真模型的建立及网格的划分

该喷嘴的实物及拆分后的结构如图1所示，利用三维建模软件SolidWorks对该喷嘴进行比例为1∶1的三维建模，获得的三维图形如图2所示，利用SolidWorks中的“插入—特征—组合”命令获得喷嘴内的流域如图3所示，在该流域的基础上增加喷嘴外的外部流场，最后得到仿真所需的整体流域如图4所示。

图1 喷嘴实物及拆分展示图

图2 喷嘴的三维模型

图3 喷嘴内部流域

图4 仿真计算整体流域

再分别用ANSYS Workbench 软件中的ICEM.CFD网格划分模块、Fluent计算模块及CFD-POST后处理模块对该模型进行仿真计算和分析，仿真流程图如图5所示。

图5 仿真计算流程图

因喷嘴内结构复杂，为节省前处理时间，采用非结构网格划分的方法，划分采用四面体结构。最终划分生成的网格如图6所示。为使网格精度达到计算要求，对结构尺寸较小的位置进行了局部细化处理，细化处理部分如图7所示。生成的网格质量较高，如图8所示，没有负网格，质量均在0.72以上，满足计算要求。

图6 流域的网格划分

图7 局部网格细化处理

图8 网格质量报告图

2 控制方程及边界条件的设置

仿真过程中气体和液体两种介质的运动由连续性方程和动量方程控制[6]，湍流模型由k-ε双方程[7]控制。

本文采用压力基隐式求解器进行求解。采用VOF多相流模型，湍流模型选用k-ε双方程模型。入口条件采用pressure-inlet，入口压力为8 MPa，入口中液相所占的比例阿伟0.95。出口条件选用outflow，表压为0 MPa，其他的壁面条件都设定为固壁条件。收敛精度设置为10×10-5，为保证计算收敛，将迭代次数设置为1000步。进行仿真计算，仿真计算的迭代收敛结果如图9所示。

图9 迭代收敛图

3 模拟结果及分析

喷嘴喷射雾化时整个流场内的速度矢量如图10所示，由图10可以看出,液体在喷雾场近场的分布较少，大部分分布在喷雾场的中后段，此时的液体经过雾化充分分散开。喷嘴部分的速度矢量图如图11所示，由图11中可以看出，液体在经过狭窄通道时，速度迅速增加，由喷嘴出口喷出时速度再次得到迅速增加。

图10 速度矢量分布

图11 喷嘴处速度矢量图

喷嘴的速度体绘图如图12所示。由图12可以观测出，在喷雾场的后半段，速度的径向分布范围变大。喷雾场内的中轴线上的速度变化如图13所示。由图13可以观察出液体的出口速度为170 m/s，约为实际工况下液体的入口速度的10倍，液体由喷嘴出口喷出后速度急剧减小，在距离出口0.2 m处速度趋于平稳，并在距离出口0.4 m处减小为0 m/s。

图12 速度体绘图

图13 速度变化图

喷雾场中的液相分布云图分如图14所示。由图14可以观察到，雾化过程达到稳态时，喷雾场中的液相的体积分数集中在0.9502～0.9508之间。且分布比较均匀。而相比于喷雾近场，喷雾远场中的液相的体积分数更高一些。另外，可以观察到喷雾场中轴线附近的液相体积分数较低，由此可见，该喷嘴喷射雾化时，喷雾锥角为空心锥角或半空心锥角。

图14 液相分布云图

4 结论

为充分了解一种喷嘴的喷雾性能和雾化机理，对该喷嘴进行了三维建模，并根据实际工作条件进行了数值模拟仿真。对该喷嘴的喷射速度、喷雾场中的液相的分布等信息进行了分析和直观了解。

1）液体经过该喷嘴的加速后，出口处的液体速度被增加到了170 m/s,加速效果明显。

2）相比于在喷雾场的前半段，液体经充分雾化后在喷雾场的后半段分布更为分散。