基于内外流场关联的喷嘴仿真及实验研究*

王唯博,高贵军*,郑 杰,杨文强,游青山

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院,山西 太原 030024;2.矿山流体控制国家地方联合工程实验室,山西 太原 030024;3.重庆工程职业技术学院,重庆 402260)

0 引 言

目前,喷嘴射流雾化技术广泛应用于医疗消毒、家居生活、灭火设备、园林喷洒等领域,尤其常用于煤矿降尘领域。

煤矿粉尘不仅会危害工人健康,而且还会导致粉尘爆炸、仪器严重磨损,所以进行粉尘治理刻不容缓。

喷射雾滴大小和分布范围受到压力、腔体直径、螺旋倾角、流体介质、喷口孔径比等多个因素的影响。目前,国内外已有众多学者选用不同的方法对喷嘴雾化性能进行了研究。

毛传林等人[1]选用DPM离散相模型,对长20 cm、半径5 cm的1/4圆柱体采用周期性网格划分,分析了其外部射流场的液滴雾化情况。汤羽昌等人[2]提出了两级耦合雾化模型,利用正弦理论分析模型和LFB破碎模型计算出了雾滴的一级雾化情况,并结合离散相模型,得到了雾滴的二级雾化情况。张建平、赵金国等人[3,4]采用试验与仿真的方式,对喷嘴的内部进行了分析,研究了旋流喷嘴不同参数之间的数学关系及气液两相流运动规律,提出了喷嘴的选用原则。郝磊等人[5]设置了喷头出口最大速度为雾化场的入口速度,利用多相流模型和离散相模型来模拟喷嘴二维网格模型的雾化场,为喷嘴的结构优化设计提供了参考。易宗礼、马佳敏、杨刚等人[6-10]构建了三维仿真流体域模型,并采用VOF多相流模型和湍流模型,分析了喷嘴内外流场的雾化特性。YU Hai-ming、WANG Lei等人[11,12]基于大涡模拟模型(LES),分析了压力旋流喷嘴内部的流动特性和外部液片的破碎形式。刘海丽、梁钦、王松岭等人[13-15]分别建立了圆柱模型,结合Fluent提供的喷嘴雾化模型,对喷嘴外流场进行了数值仿真,并分析了其雾化特性。LI Lan等人[16]引入了索特平均直径(Sauter mean diameter,SMD),建立了液滴粒径分布的实验平均数学模型,采用模拟的方式,研究了喷嘴雾化场中的液滴尺寸分布。易松林等人[17]建立了单喷嘴二维轴对称模型,运用Fluent对喷嘴内外流场进行了数值模拟,分析了在不同喷距和入口流量下,喷嘴内、外流场的规律。

以上研究分别侧重于喷嘴内部流场、外部流场的仿真模拟与实验验证,但是对一级雾化与二级雾化内部关联的研究尚少。

笔者基于湍流模型和压力螺旋喷嘴模型,取内部流场的出口流速的不同值作为外部喷雾场的入口条件,分析雾滴粒径分布状况由于出口流速不同以及压力、螺旋角的大小而变化的总体趋势,并探讨喷嘴内外流域雾化之间的关系。

1 喷嘴结构

笔者研究对象是十字旋芯喷嘴,其二维结构图如图1所示[18]。

图1 喷嘴二维结构图1—喷嘴壳体;2—十字螺旋芯;3—压紧螺帽;α—螺旋叶片与水平线之间所形成的螺旋倾角

图1中,液态水在入射压力下进入腔体,经由旋芯的隔离作用被分割成两股水流,沿十字叶片的倾斜面流动,到达边沿后旋转折返呈现螺旋流动,进而流向出口。

该喷嘴为分离型设计,具有结构简易、不易堵塞的特点,因而被广泛应用于煤矿降尘等领域。

2 仿真模拟

2.1 网格划分

笔者使用SolidWorks软件构建喷嘴内外流域的三维仿真模型。

根据实际尺寸,喷嘴内流域模型主要尺寸为总长度24 mm、入口直径6 mm、出口直径1.5 mm、锥形夹角90°,以及喷嘴芯螺旋倾角30°;同时,笔者简化喷嘴外流域模型为半径1 m、长度2.5 m的圆柱区域;经网格无关性验证,该区域过大会增加计算成本,过小则无法更好地模拟自然状态下喷雾不受空间限制的情况。

结构性网格具有生成快、质量好、计算快的优点,非结构性网格具有生成方便、适用于流域模型较复杂的特点[19]。喷嘴内流域因十字螺旋式喷嘴芯结构复杂,此处采用非结构性网格;喷嘴外流域呈圆柱形结构简单,此处采用结构性网格,可提高网格质量。

考虑到液态水在螺旋芯附近流动的复杂性,为保证计算结果精度,笔者对该部分网格和外流域中心处网格进行局部加密处理。

网格生成图如图2所示。

图2 网格划分图

为验证网格无关性,笔者对流域划分了4种不同数量的网格,分别为2×105、2.5×105、3.0×105、3.5×105。

网格质量图如图3所示。

图3 网格质量图

经对比可知,当网格数量为2.5×105左右时,网格质量最小值达到0.31,且网格数量少,节省计算空间。

最后,笔者确定内流域网格单元数量为268 348,节点数量为47 035。

2.2 计算控制方程

计算喷嘴外部雾化区域的初始气流场时,假设气体是理想气体,其流动属于湍流、低马赫数。该阶段涉及到的基本方程式有计算气流流动规律、传热与传质的连续方程、能量方程以及动量方程[20]。

由于Realizablek-ε湍流模型可以更精确地预测圆形射流的发散比值,此处,笔者选用Realizablek-ε湍流模型。

连续性方程为:

(1)

动量方程为:

(2)

式中:μ—流体相的速度;ρ—流体的密度;x—方向;t—时间;μ—流体动力黏度;δij—单位张量;P—流体压强;i,j,k—三维坐标系中的坐标方向。

耗散率方程及湍流模型的湍动能:

(3)

(4)

式中:μ—流体动力黏度;ρ—流体的密度;Gb—浮力影响引起的湍动能;Gk—平均速度梯度引起的湍动能;C2,C1ε—经验常数;YM—可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的影响因子;σk,σε—湍动能和其耗散率的湍流普朗特数,在Fluent计算中均设定为默认值常数。

2.3 参数设置

(1)内流域设置。为获得液态水到达十字螺旋喷嘴芯的出口流速,笔者假设喷嘴内流场为单相稳态运动,选用Realizablek-ε湍流模型,进口条件设置为压力入口(pressure-inlet)。而喷嘴外流场雾化区域选用Pressure-swirl-atomizer雾化模型来模拟液相从水柱变化为液膜,进而撕裂破碎成液滴的过程。首先,计算连续相为气体时的初始雾化场;残差曲线收敛后,将液相以离散液滴的方式加入流场,离散相与连续相两者的耦合模式选用动态曳力模型,并选择随机颗粒轨迹模型跟踪液滴,待计算再次达到收敛时,得出整个雾化区域喷射雾滴的粒径散布状况。

(2)外流域设置。时间模式选择非稳态(transient),重力加速度为竖直向下9.8 m/s2;圆柱体一侧底面的边界类型定为速度入口(velocity-inlet),其大小定为一般自然对流下空气流速;另一侧底面边界类型设为压力出口(pressure-outlet),其值默认为0;中间圆柱面边界类型选为壁面(wall)。设定入口中心处为雾滴释放位置,颗粒流数为250,喷嘴内径为1.5 mm,依据经验取值或理论计算得出质量流率等相关参数。

3 仿真结果分析

3.1 内流域出口速度分析

笔者分析螺旋角为30°、压力分别取4 MPa、5 MPa、6 MPa时,液态水到达喷嘴出口面的速度值。

不同压力下,喷嘴出口XY面中心线处的速度大小分布图如图4所示。

图4 不同压力下速度分布图

水的流速在喷嘴入口阶段增加缓慢,在到达螺旋芯后,液体被分成两股,撞击到十字叶面上,经其凹槽的旋转切割作用产生涡流,到达出口面时获得较大流速值,但边缘部分因压力过小,速度值为零。

由图4可知:当螺旋倾角相同时,随着入射压力增大,出口速度也增大,但整体变化趋势基本一致。

当压力不变时,出口面中心处速度均较大,边缘处速度为零,笔者分别取得最大值、最小值,与去掉速度值为0的点后平均值,如表1所示。

表1 不同压力下速度值

3.2 外流域粒径分布分析

笔者选用出口流速最大值作为计算入口条件,并基于外流域仿真结果,设置螺旋倾角为30°,压力分别为4 MPa、5 MPa、6 MPa时,得到的外部雾场粒子分布图如图5所示。

图5 不同压力下雾场分布图

由图5可知:在螺旋倾角相同时,当入口喷射压力变大,雾化场颗粒直径越来越小,粒径较小的雾滴数也越多;当入口压力为4 MPa、5 MPa、6 MPa时,雾滴最小直径分别为13.9 μm、11.5 μm、9.97 μm。

由于喷雾的初始阶段不稳定,雾滴分布不均匀,为接近实际工况,笔者统计分析距离喷嘴轴向距离0.7 m～1.0 m区间内的粒子数量及粒径分布情况。

笔者选取出口流速最小值时,不同压力下外流域的雾滴粒径分布数据表,如表2所示。

表2 速度最小值时区间粒径的仿真百分比值

笔者选取出口流速平均值时,不同压力下外流域的雾滴粒径分布数据表,如表3所示。

表3 速度平均值时区间粒径的仿真百分比值

笔者选取出口流速最大值时,不同压力下外流域的雾滴粒径分布数据表,如表4所示。

表4 速度最大值时区间粒径的仿真百分比值

由表(2～4)可知:

在不同的压力下,选取不同的出口流速值作为入口条件,雾滴粒径主要分布在20 μm～60 μm之间;随着压力增大,直径小于60 μm的液滴占比越大,大于60 μm的液滴占比越小;由于模拟雾化初始阶段,计算时间较短,20 μm以下的颗粒占比偏少;随着计算时间变长,模型稳定,愈接近实际雾化,60 μm以上的颗粒占比偏大。

螺旋倾角的大小对雾化粒径分布也有一定的影响。为了得到其对雾化粒径分布的影响规律,笔者对仿真压力相同时,不同螺旋角下的雾滴粒径分布情况进行对比分析。

当压力为6 MPa时,螺旋倾角分别为30°、40°、50°的外部雾场粒径分布图,如图6所示。

图6 不同螺旋角下粒径分布图

由图6可知:当压力不变时,螺旋倾角增大,直径在0 μm～20 μm区间内的液滴占比越大,直径在60 μm～80 μm区间内的液滴占比越小。这是因为随着喷嘴螺旋倾角的变大,十字螺旋叶片的倾斜度越大,撞击速度越大,韦伯数越大,产生涡流动能越大,喷嘴出口流量也越大,液滴之间碰撞破碎机率也越大,故细小雾滴数所占比重越大。

另外,当螺旋角为50°时,20 μm～40 μm区间的雾滴占比偏小,40 μm～60 μm区间的雾滴占比偏大。究其原因在于螺旋芯模型的构建等方面存在误差。

4 实验及结果分析

4.1 实验系统

为了测定喷雾的实际情况,笔者在太原理工大学矿山流体控制国家地方联合工程实验室外,搭建了一整套可用来测试不同压力下,不同结构喷嘴液体雾化情况的实验平台,并通过实验测量得出喷雾数据实际参考值。

实验操作示意图如图7所示。

图7 喷嘴雾化性能实验系统

该系统主要由DP-02滴谱仪、雾化玻璃罩、高速摄像机、喷嘴、加压调压设备和流量计等仪器组成。

在保证设备的安装高度以及控制滴谱仪的使用条件下,笔者测量了喷嘴孔为1.5 mm、腔体直径为6 mm、螺旋倾角分别为30°、40°、50°的喷嘴,系统压力为1 MPa～6 MPa下的雾化数据。

4.2 测量方法

为避免外界干扰,喷雾实验选择在透明玻璃罩里进行。

笔者以液态水作为喷射介质,调节流量计控制喷射流量,通过加压调压设备设定并保持自来水的入射压力,查看液压表数值来监控喷雾压力,用高速摄像机捕获喷射雾滴的运动速度和雾化角度;同时,改动喷嘴的相对位置,操作DP-02粒度分析仪,测得不同位置雾粒尺寸的分布。先在适当的位置固定好喷嘴,保证在设定好的压力下均匀喷雾;然后,把滴谱仪准直激光发生装置与信号采集装置放在合适的高度,并调整系统对中;最后,运行数据处理系统得出喷雾数据。

喷雾实验现场及喷雾粒度分布图如图8所示。

图8 喷雾实验图

4.3 实验结果分析

笔者通过调整仪器设备,更改实验参数,进行了不同条件下的多组实验,并通过DP-02滴谱仪收集喷雾数据,再对数据加以分析。

当螺旋角为30°,压力分别为4 MPa、5 MPa、6 MPa时,雾滴粒径分布数据如表5所示。

表5 不同压力下区间粒径的实验百分比值

因为单个粒径所占百分比不具有代表性,故表中所示值为不同粒径范围内的颗粒占比,便于对比分析。

由表5可知:(1)在一定的测量区域内,不同压力下,粒径在20 μm～60 μm之间的雾化液滴数占百分比较大,粒径在60 μm～100 μm之间的雾化液滴数占百分比较小;

(2)螺旋倾角相同时,随着压力的增大,粒径较小的液滴颗粒数百分比增大,粒径较大的液滴颗粒数百分比减小;其中,压力为6 MPa时,粒径于40 μm～60 μm之间的雾滴所占比例较低,原因为实验过程中存在喷嘴位置调整、压力值设定保持、滴谱仪测量等误差因素,均会导致雾滴粒径分布出现偏差。

4.4 实验、仿真结果对比分析

基于以上实验与仿真结果分析,可以得到压力为6 MPa时的粒径分布对比图,如图9所示。

图9 压力6 MPa时粒径分布对比图

由图9可知:以内部流场的不同速度值作为外部雾场入口条件,所得的仿真结果变化趋势基本一致,随着压力的增大,0 μm～60 μm区间的雾滴数占比越大,60 μm～100 μm区间的雾滴数占比越小;

实验数据与出口速度最大值的仿真数据之间误差最小,但有仪器设备测量不当和实验条件稍有变化等不可避免的因素,在不同的压力下20 μm～60 μm区间内的雾滴分布情况更为一致,60 μm～80 μm区间内的雾滴分布情况存在差异,得出选用出口流速最大值作为计算入口条件更能够符合实际情况。

另外,笔者对比分析螺旋倾角为30°,压力分别为4 MPa、5 MPa、6 MPa时,雾滴粒径SMD的实验、仿真数据,如图10所示。

图10 不同条件下雾滴SMD随压力变化图

由图10可知:在分别选取出口速度最小值、平均值、最大值时,所得雾场的雾滴SMD变化趋势一致,且实验值与最大值吻合较好。

在压力为4 MPa～5 MPa时,雾滴SMD快速下降;当压力达到5 MPa后,雾滴SMD变化比较缓慢,表明雾化液滴SMD受系统喷射压力的影响较大。这是因为随着压力的增大,雾化液体的喷射动能也变大,致使螺旋喷嘴雾化液体破裂程度变大;当压力达到某一数值时,喷射雾滴SMD就不会明显减小。

5 结束语

为了研究喷嘴两级雾化之间的内部关联,笔者利用Fluent软件中Realizable k-ε湍流模型和Pressure-swirl-atomizer雾化模型,对十字旋芯喷嘴内外流场进行了数值模拟,并通过实验测试进行了对比分析,验证了仿真结果的合理性。

研究得出以下结论:

(1)实验与数值模拟合理,表明了选用出口流速最大值作为计算入口条件更加符合实际情况,对深入研究喷嘴两级雾化的内在联系有一定的指导意义;

(2)当螺旋角不变,雾化压力不同时,雾滴粒径仍主要分布在40 μm～60 μm区间;随着压力或螺旋角单一变量的增大,粒径为60 μm以上的雾滴占比越大,60 μm以下的雾滴占比越小,为不同场合下喷嘴使用压力和旋芯倾角的选择提供了参考;

(3)由出口速度最大值作为入口条件得出的雾滴SMD仿真值与实验值误差最小;随着压力的增大,雾滴SMD值减小。

综上所述,笔者为研究喷嘴整体雾化过程内在机理提供了一种方法。在后续的研究工作中,笔者将拓展其他可行的算法。