压力旋流雾化喷嘴雾化特性的研究

江 超 虞 斌 李佳豪 吕 林

（南京工业大学机械与动力工程学院）

颗粒物污染不仅危害人体健康， 引发职业病，还会加速机械磨损、缩短精密仪器的使用寿命， 且在一定条件下极易发生粉尘爆炸事故，存在极大的安全隐患［1］。 因此如何有效解决粉尘问题，已成为社会广泛关注的问题。

湿式除尘是目前普遍采用的降尘方式［2］，压力旋流雾化喷嘴作为湿式除尘器的重要部件之一，因其结构简单、成本低、雾化性能优异等特点被广泛用于喷雾降尘领域。 近年来，国内外学者开展了大量相关研究。 MUHAMMAD R等通过实验研究了不同结构的压力旋流喷嘴对雾化质量的影响，得到旋流室最佳长径比为3.75时，雾化质量最佳［3］；WANG J P等使用PDPA喷雾测量系统，得到了雾滴随着喷雾距离改变的空间分布情况［4］；王国辉等搭建了试验系统，研究结果表明，随着喷嘴前后压差的增加，流量增加，雾化效果变好［5］。

然而，目前针对湿式除尘器压力旋流雾化喷嘴的研究大多通过实验完成，成本高，耗时长，且难以直观得到喷嘴内部流场变化。 为此笔者结合工程实际，基于Fluent软件，研究不同工况下雾化喷嘴的雾化流场特性变化，以期为实际生产应用提供一定的理论基础。

1 数值模拟方法

1.1 喷嘴几何结构

压力旋流雾化喷嘴由连接件、分流片、旋流片和雾化片4部分组成，喷嘴主要零部件尺寸如下：

喷嘴总长度L 24 mm

连接件直径D 10 mm

分流片直径R 5 mm

喷嘴出口直径d 2 mm

压力旋流雾化喷嘴的三维结构如图1所示。

图1 压力旋流雾化喷嘴的三维结构

1.2 物理模型的构建及网格无关性验证

为了更好地表现流体的运动情况，笔者利用Spaceclaim软件对压力旋流雾化喷嘴进行1∶1的三维模型绘制，并在喷嘴底部加上一个直径50 mm、高50 mm的雾化场区域，其结构如图2所示。

图2 流体域的三维模型

将几何模型导入Fluent Meshing中，对整体采用Polyhedra体网格生成方法，并对喷嘴出口处进行局部加密。 一般来说，在数值模拟计算中，网格数量会直接影响计算精度与效率，网格数量越多计算周期越长，理论误差越小；网格数量越少计算周期越短，离散误差越大。 因此，为验证网格数量对仿真结果的影响， 分别以0.30、0.25、0.20、0.15 mm的最小网格尺寸对流体域进行网格划分，相应的网格数量为105 481、258 215、580 547、1 064 892，得到网格无关性验证结果如图3所示。分析图3可知，随着网格数的增加（最小网格尺寸的减小），雾化锥角逐渐减小，当网格数增加到58万以后，计算结果基本稳定不变，考虑到计算结果精度和效率，最终选取网格数量为580 547进行数值模拟计算。

图3 网格无关性验证

1.3 数学模型

压力旋流雾化喷嘴的流体流动过程是典型的气液两相流动， 采用VOF模型对流场进行仿真模拟［6］，并根据实际情况对问题进行合理简化，做出如下假设［7］：

a.流体为不可压缩流体；

b.气液两相间不存在化学反应和物理相变；

c.不考虑相间和相内的热交换；

d.整个流场为轴对称定常流动。

式中 F——体积分数；

Fj——表面张力产生的动量方程源项；

gi——i方向上的重力加速度；

p——压强；

t——时间；

u——速度；

ui、uj——i、j方向上的速度分量；

ui1、ui2——单元中第i1、i2相的速度分量；

ρ——密度；

ρ1、ρ2——单元中第1、2相的密度。

1.4 边界条件设置

将网格模型导入Fluent中， 选择基于压力基求解器的求解方法，先通过稳态计算方法获得初始稳定流场，然后以此作为后续计算的初始值进行瞬态计算，设置z轴正方向为重力方向，g取值为9.81 m/s2。 选取VOF模型，设置空气为第1相，水为第2相；入口边界条件设置为压力入口，设置液相体积分数为1（即入口流入全为水）；壁面设置为静止无滑移壁面， 壁面表面粗糙常数设为0.5；出口边界条件设置为压力出口，表压为0（等于外界大气压），设置液相回流体积分数为0（即回流全为空气），根据实际计算湍流强度与水力直径。

2 结果分析

2.1 喷嘴内部流场特性分析

压力喷嘴内部由于水流的高速流动，使喷嘴内部产生压降，甚至出现负压现象，产生空气回流，形成空气芯［8，9］。而空气芯有利于液膜的撕裂，从而提高整体雾化质量，因此探究空气芯的存在与否对喷嘴雾化效果至关重要。

图4是工作压力2 MPa时，不同时刻喷嘴的气液两相分布变化，图中红色代表此处流体为水且体积分数为1， 蓝色代表此处流体为空气且体积分数为1。 由于初始化时将入口水的体积分数设置为0［10］，即视喷嘴初始状态下内部全为空气，故在初始阶段蓝色占云图的大部分。 0.002 s时液体到达喷嘴出口处，如图5所示，由于旋流片中心区域液体速度远小于喷嘴中的直射速度，导致旋流片中心区域的压力小于旋流片外侧区域，形成空气芯。 随着时间变化，液体逐渐充斥整个喷嘴，到0.008 s时，喷嘴内部流动逐渐稳定，但空气芯仍存在于喷嘴内部未曾消失，此时整个流场的气液分布趋于稳定，不再随时间发生明显变化。

图4 轴向截面气液体积分布图

图5 0.002 s时旋流片截面流场分布图

可以看出， 压力旋流雾化喷嘴存在空气芯，且由于空气芯的存在， 喷嘴出口处液膜厚度降低，液膜在空气芯的作用下拉伸破碎，使喷嘴整体雾化效果提高，符合喷雾降尘的应用需求。

2.2 喷嘴出口速度场分析

喷嘴的雾化性能指标主要包括喷雾射程、雾化锥角、雾滴粒径等，而这些雾化性能指标均与喷嘴出口速度相关。 为探究相关因素影响，笔者构建了出口直径分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm的喷嘴模型， 并以上述边界条件设置进行求解，结果如图6所示。 由图6a可知， 当工作压力一定时，喷嘴出口处的轴向速度随出口直径的增加而减小；当喷嘴直径一定时，随工作压力的递增，喷嘴出口处轴向速度逐渐增大，而出口处轴向速度越大，液体惯性力越大，对应的韦伯数越大，雾滴越容易破碎，雾化效果越好，喷雾射程越远。 不同出口直径对应的轴向速度随工作压力变化趋势相同，工作压力从2 MPa增加到8 MPa时，压力每提高1 MPa， 喷嘴出口处的轴向速度分别增加22.23%、15.48%、11.74%、9.52%、8.04%、6.92%，可见轴向速度在工作压力为4～6 MPa时，速度增量开始趋缓。 考虑到整个流场为轴对称定常流动，由图6b、c可知，随着喷嘴工作压力和出口直径的变化，出口处的切向速度与径向速度变化都不明显， 这是由于喷嘴出口处在离心力的作用下， 喷嘴壁面对喷射流体存在一定的束缚作用，从而约束了出口处切向速度与径向速度的发展。

图6 不同出口直径下喷嘴出口速度与工作压力的关系

2.3 工作压力及出口直径对雾化锥角的影响

文献［11］给定的雾化锥角θ的计算式如下：

式中 v切、v径、v轴——出口处液膜切向、 径向、轴向速度。

根据式（6），得到不同工作压力和出口直径下的雾化锥角如图7所示。 由图7可知，当喷嘴出口直径相同时， 雾化锥角随压力变化不明显；当工作压力一定， 喷嘴出口直径在1～2 mm之间时，雾化锥角随出口直径的增大而增大，呈线性变化趋势，且当喷嘴出口直径为2 mm时雾化锥角达到最大值，这与文献［12］所得实验结果一致；当喷嘴出口直径大于2 mm时， 雾化锥角基本保持不变， 这是因为随着喷嘴出口直径的进一步增大，各速度分量比重基本保持不变。 通过以上分析并结合工程实际来看， 当喷嘴出口直径较小时，喷雾降尘过程中极易发生堵塞现象；当喷嘴出口直径较大时，容易造成水资源的浪费，违背节能减排的基本原则。 综上，在实际应用中宜选择直径为2 mm的压力旋流雾化喷嘴。

图7 不同工作压力和出口直径对雾化锥角的影响

3 结论

3.1 基于Fluent软件VOF模型， 笔者研究了压力旋流雾化喷嘴在工作压力为2 MPa时， 不同时刻下内部流场的变化，发现空气芯始终存在于喷嘴内部，因此其符合喷雾降尘的应用需求。

3.2 喷嘴出口处的轴向速度在速度场中起决定性作用，且在工作压力为4～6 MPa时，速度增量开始趋缓，故综合考虑生产成本和雾化性能的情况下，在实际应用中，宜选用4～6 MPa作为压力旋流雾化喷嘴的工作压力。

3.3 当喷嘴出口直径相同时，雾化锥角随压力变化不大；当工作压力一定，在喷嘴出口直径为1～2 mm之间时， 雾化锥角随出口直径的增大而增大，且当喷嘴出口直径为2 mm时雾化锥角达最大值；当喷嘴出口直径大于2 mm时，雾化锥角基本不变。 因此，在实际应用中宜选择直径2 mm的压力旋流雾化喷嘴。