粘结剂喷嘴的设计与数值模拟*

黎 川

(广东理工学院 工业自动化系，广东 肇庆 526000)

0 引 言

随着世界新军事革命的不断发展，精确制导武器将成为未来的主要作战武器，精确制导技术是决定其作战性能的关键因素之一[1]。光纤缠绕是光纤制导中的关键技术问题，而在光纤缠绕过程中使用涂覆粘结剂或胶液以避免松动坍塌，保证制导导弹发射后光纤能够顺利和均匀地释放[1]。西安工业大学刘坤设计的光纤自动喷胶实验平台存在喷嘴堵塞问题，直接影响喷胶雾化效果[2]。针对此问题，笔者设计一个满足胶液雾化的喷嘴，采用Fluent软件模拟喷嘴雾化，以索太尔平均直径(SMD)作为评价雾化效果的重要参数[3]，分析空气压力对液滴SMD的影响，为工程优化设计提供基础。

1 喷嘴结构设计

已知工况参数：胶液量为0.22×10-3g/s，胶液密度为832 kg/m3,胶液流速为0.1 m/s,胶液压力为0.3 MPa，空气量为0.22×10-3g/s，空气流速为15 m/s。根据《喷嘴技术手册》中各个尺寸的计算过程[4]，根据计算的尺寸，绘制喷嘴的二维图和三维图，如图1(a)、(b)所示。

图1 喷嘴结构

2 喷嘴的内混室和喷射流场仿真与分析

2.1 物理模型

根据喷嘴的结构形式建立喷嘴内混室流场模型，而喷射流场建立底面直径140 mm、高为400 mm的圆柱体模型。由于喷嘴的流体域是对称的，文中在三维软件UG中建立了内外流场的三维模型的一半，在软件ANSYS Meshing中对三维模型划分网格，如图2所示。

图2 喷嘴流场网格划分

2.2 数学模型

根据流体动力学原理，由于文中忽略温度对流场的影响，所以只需要考虑连续性方程与动量方程作为控制方程。为了能够准确地模拟喷嘴的雾化特性，气相模型采用湍流模型和组分运输模型，标准k-ε方程，其湍动能方程和耗散率方程，即方程式(1)～(3)：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为流体速度，m/s；μ为流体动力黏度，kg·(m·s)-1；σk、σε为湍动能的湍流普朗特数σk=1.0、σε=1.3；Gk为平均速度梯度引起的湍动能；Gb为浮力影响引起的湍动能；Ym为可压湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ为常量；Sk、Sε为由用户自定义。

组分运输模型，即方程式(4)：

(4)

式中：Yi为第i组分的质量分数；Ji为第i组分浓度梯度引起的扩散通量；Ri为第i组分化学反应的净产率；Si为第i组分自定义源项。

液相模型采用离散相模型中的喷雾液滴破碎模型。在胶液射流雾化中，韦伯数大于100，选用wave波动破碎模型，即方程式(5)：

(5)

式中：a为雾化过程中的液滴半径，m；A为离散过程中产生的波长，m；We为韦伯数；Ta为泰勒数；Oh为昂赛格数。

2.3 仿真结果

2.3.1 内混室流场仿真结果与分析

图3为不同压力下喷嘴内混室流场的液滴粒径大小与喷射位置图，可以看出液滴群集中在进口处，之后开始扩撒。对于在不同的空气压力下，采集模型不同截面处的粒径信息，计算出内流场的各截面的SMD，如图4所示。从图中可以看出，在不同空气压力下SMD变化趋势均为下降。说明液滴在内流场趋于破碎，液滴直径变小。

图3 不同压力下喷嘴内混室流场的液滴粒径大小与喷射位置图

图4 内混式喷嘴内流场SMD变化

2.3.2 喷射流场仿真结果与分析

对于在不同的空气压力下，采集模型不同截面处的液体粒径信息，计算出内流场的各截面的SMD如图5所示。

图5 内混式喷嘴喷射流场SMD变化

图6为不同压力下喷射流场液滴粒径大小与喷射位置图，雾化液滴散布比较均匀。从图中可以看出，在不同空气压力下SMD变化趋势均为先增加后不变，再减小后不变，说明液滴在喷射流场内部趋于破碎，粒径逐渐变小。

图6 不同压力下喷射流场液滴粒径大小与喷射位置图

3 结 论

(1) 分析了不同空气压力对SMD的影响，对喷嘴内混室和喷射流场仿真模拟可以看出，在内流场雾化过程，在不同空气压力下SMD变化趋势均为下降。在喷射流场雾化过程，在不同空气压力下SMD变化趋势均为先增加后不变，再减小后不变。

(2) 对喷嘴喷射流场的进行雾化仿真，该喷嘴雾化粒径小且一致，散布均匀，有利于胶液充分雾化。此次分析可为工程优化设计提供一定借鉴参考。