噴嘴霧化特性的試驗及數值模擬

林鴻亮， 劉道銀， 劉 猛， 陳曉平

（東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096）

國內外學者也對噴嘴霧化特性進行了大量的模擬研究.Ozer等［8］通過試驗和數值模擬研究了氣體霧化噴嘴的噴霧特性，發現CFD 軟件可以很好地預測噴嘴霧化特性，并且霧化氣體壓力對噴霧特性有很重要的影響.錢麗娟等［9］對水在空氣中湍動霧化射流的氣液兩相流場進行了數值模擬，研究了不同工況下液滴粒徑沿軸向的變化趨勢，并將數值模擬結果與試驗結果在多種氣液比下進行比較，兩者吻合很好.劉閎釗等［10］對旋流噴嘴在脈動壓力作用下的內部流動進行了數值模擬，發現瞬時流量和霧化角均呈現與脈動壓力頻率相同的周期性變化，且瞬時流量與霧化角之間相位相差一個π角.

以上研究主要集中于單個噴嘴的霧化特性，通過試驗及數值模擬研究了單個噴嘴在不同工況下氣液流場的變化規律.為了得到兩個噴嘴相互作用的噴霧特性，筆者首先對不同類型的單個噴嘴進行噴霧試驗，然后模擬兩相噴嘴的噴霧特性，詳細研究了霧化液滴平均直徑隨液體壓力、軸向距離、徑向距離和氣液質量流量比（即氣液比，air liquid ratio，ALR）的變化規律，在此基礎上研究噴嘴水平間距對兩個兩相噴嘴噴霧特性的影響.

1 多噴嘴噴霧試驗系統

噴嘴霧化試驗系統如圖1所示，噴嘴全部為水平噴射.以空氣和水為工質，分別由空氣壓縮機和水泵提供.該系統可以自由切換單相（水）和兩相（空氣－水）噴嘴霧化，比較不同噴嘴實際霧化效果.

圖1 噴嘴霧化試驗系統圖Fig.1 Experimental facility for nozzle atomization tests

試驗中單相噴嘴為壓力式細水霧化噴嘴，液體壓力和水泵頻率一一對應，兩相噴嘴為雙流體外混式噴嘴.兩種噴嘴主要參數見表1.為了解噴嘴組合的噴霧特性，在試驗臺上同時安裝兩個噴嘴，考察噴嘴水平間距對噴霧霧化的影響，兩個噴嘴的排布方式為同一高度平行同向布置.

表1 兩種噴嘴主要參數Tab.1 Main parameters of the two nozzles

霧化液滴的平均直徑采用LS－2000分體式激光粒度儀測量.激光粒度儀給出的是一條直線上的液滴平均直徑的概率分布，即概率密度函數和概率密度分布函數.試驗中測量位置為噴霧軸向特定距離處霧化截面.利用激光粒度儀自帶的分析軟件得到描述液滴平均直徑的常用參數D32.D32是索泰爾平均直徑，是指液滴流場內全部液滴的體積與總表面積的比值.根據定義，D32可以表示為

式中：D 為液滴的直徑；dN 為液滴數增量.

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從式（1）可以看出，D32越小，即表示相同體積的液滴具有的表面積越大，因而霧化質量越好.筆者采用索泰爾平均直徑來分析噴霧霧化特性.

2 不同噴嘴霧化試驗比較

2.1 單相噴嘴霧化液滴平均直徑的變化規律

單相噴嘴霧化液滴平均直徑的變化規律如圖2所示.其中，圖2（a）為在給定徑向距離條件下，單相噴嘴霧化液滴平均直徑隨液體壓力和軸向距離的變化規律.從圖2（a）可以看出，在相同軸向距離處，霧化液滴平均直徑隨液體壓力的增大而減小；在液體壓力相同時，霧化液滴平均直徑隨軸向距離的增大而增大.這是因為增大液體壓力，提高了霧化能量，促進了液體分裂和液滴破碎.

圖2（b）為霧化液滴平均直徑沿徑向距離的變化規律.從圖2（b）可以看出，在相同徑向距離處，霧化液滴平均直徑隨液體壓力的增大而減小；在液體壓力相同時，霧化液滴平均直徑隨徑向距離的增大而增大.

圖2 單相噴嘴霧化液滴平均直徑隨液體壓力、軸向距離和徑向距離的變化Fig.2 Single－phase nozzle droplet mean diameter for different liquid pressures，axial distances and radial distances

2.2 兩相噴嘴霧化液滴平均直徑的變化規律

在霧化射流中心軸線上，兩相噴嘴霧化液滴平均直徑隨氣液比和軸向距離的變化規律如圖3 所示.從圖3可以看出，在相同氣液比時，霧化液滴平均直徑隨軸向距離的增大而增大，這主要是由于液滴之間的相互碰撞并粘結造成的；在相同軸向距離處，霧化液滴平均直徑基本上隨氣液比的增大而減小，這是因為氣液比越大，氣體所占比例越大，從而氣體壓力和氣體速度越大，氣體對射流液體的撕裂和沖擊作用更強，使得霧化液滴平均直徑越小.

圖3 兩相噴嘴霧化液滴平均直徑隨氣液比和軸向距離的變化Fig.3 Two－phase nozzle droplet mean diameter for different gasliquid ratios and axial distances

比較單相噴嘴和兩相噴嘴發現，兩相噴嘴由于氣體的引入有助于減小霧化液滴的平均直徑，通過改變兩相流量的配比可以找到減小霧化液滴平均直徑的途徑，而單相噴嘴只有提高液體壓力這個唯一的途徑來減小霧化液滴平均直徑，由于實際過程中液體壓力的提升是有限的，因此霧化液滴平均直徑的減小也有限.

2.3 兩個兩相噴嘴霧化液滴平均直徑的變化規律

圖4給出了在兩個噴嘴霧化液滴質量流量均為20kg／h、間距L 為500mm 時，兩個兩相噴嘴霧化液滴平均直徑隨氣液比和軸向距離的變化規律.從圖4可以看出，在相同氣液比時，霧化液滴平均直徑隨軸向距離的增大而增大.這是因為在噴嘴出口后方氣泡的破裂造成包圍在周圍的液膜進一步破碎，形成較大的液滴，具有較大的動量和較強的貫穿能力，使之能夠比小液滴擴散得更快，飛行的距離更遠.此外液滴之間的相互碰撞和粘結也是造成霧化液滴平均直徑逐漸增大的重要原因.

圖4 兩個兩相噴嘴霧化液滴平均直徑隨氣液比和軸向距離的變化Fig.4 Two two－phase nozzles droplet mean diameter for different gas－liquid ratios and axial distances

3 霧化模型和計算方法

由于試驗過程中參數調節范圍有限，為了更好地了解不同噴嘴的噴霧特性，彌補試驗工況的不足，采用Fluent軟件對噴嘴下游流場進行三維數值模擬.兩相噴嘴出口示意圖及計算域網格如圖5所示，內圓為噴霧液滴出口，外環為氣體出口，根據計算域網格設定噴射方向為x 正方向，豎直向上為y 正方向，右手定則確定z正方向.

圖5 兩相噴嘴出口示意圖及計算域網格Fig.5 Schematic diagram of the two－phase nozzle outlet and its computational domain

以空氣和水作為工作介質，先對氣相進行模擬，采用隱式分離求解，在氣相收斂時，再激活液滴相，采用非穩態求解液滴相.模型參數設置如下：液滴入口當量直徑3.5mm，選用速度入口模型，液滴質量流量0.011kg／s，液滴速度20m／s，湍流度1%；氣體入口當量直徑0.85 mm，選用速度入口模型，氣體合速度250m／s，湍流度4.8%；液滴出口當量直徑600mm，選用壓力出口模型，湍流度0.5%.湍流模型選用Realizable k－ε 模型，液滴相選用離散相模型（discrete phase model，DPM）中的噴霧霧滴破碎模型，在高速射流霧化中，韋伯數大于100，因此選用wave波動破碎模型；壁面采用無滑移、絕熱壁面條件，忽略輻射傳熱對流場的影響，動量分量、湍動能分量和耗散率均采用具有二階精度的二階迎風差分格式，壓力－速度耦合采用SIMPLE 算法，迭代過程中松弛因子保持默認值，離散相的時間步長取0.001s.

兩個兩相噴嘴的噴霧數值模擬參數設置參照單個兩相噴嘴參數設置，僅各噴嘴液滴相質量流量減半，其余設置與單個兩相噴嘴相同.

4 不同噴嘴數值模擬結果及分析

4.1 單個兩相噴嘴氣體流場與液滴流場

單個兩相噴嘴下游流場數值模擬結果如圖6所示.其中，圖6（a）和圖6（b）表示氣體在下游流場的水平速度分布規律，兩者的計算網格均為結構化網格，其中圖6（a）的網格沿軸向均勻，圖6（b）的網格沿軸向遞增.圖6（c）表示液滴在下游不同截面的平均直徑分布規律.圖6（d）表示液滴在下游不同截面的水平速度分布規律.

由圖6可以看出：（1）氣體流場分布數值模擬結果不隨網格的變化出現較大的變化，滿足數值模擬網格獨立性的基本要求.（2）在水平射流初期，水平速度衰減較慢，速度變化很小，射流范圍也較小，隨著水平距離的增大，水平速度開始急劇衰減，射流范圍開始逐漸擴大.其原因是隨著射流的發展，載氣與周圍大氣相互作用，產生卷吸現象，載氣沿徑向擴散且速度衰減.（3）液滴從噴嘴出口射出后，其平均直徑經歷了一個先減小后增大的過程，與圖3中試驗范圍內（軸向距離100～300mm）結果吻合，說明了模擬結果的可靠性；液滴水平速度整體上呈現逐漸減小的變化趨勢.根據液滴破碎和碰撞模型，在噴嘴出口處液滴和載氣的相對速度以及液滴平均直徑均較大，因此碰撞韋伯數較大，載氣對液滴的擠壓和撕裂作用較大，液滴易破碎.而在射流下游處，液滴的碰撞粘結作用占主導，因此液滴平均直徑逐漸增大，液滴水平速度逐漸減小.

4.2 氣體入射角度對氣體氣場和噴霧特性的影響

在入口邊界條件設置中，不改變氣體的速度大小（仍為250m／s），僅改變氣體的入射角度，分別為與水平方向0°、20°、40°和60°夾角，得到氣體水平速度分布，如圖7所示.

從圖7可以看出，整個氣體流場的擴散角總是維持在一個穩定的數值，取平均值約為23.5°，不管氣體入射角度如何變化，整個氣場的邊界和區域均一樣.

式中：x 為從氣體流場邊界交點到沿射流方向某一橫截面的水平距離；R 為截面x 處的氣體流場半徑.

圖7 不同氣體入射角度下兩相噴嘴氣體水平速度分布Fig.7 Distribution of gas flow field at different incidence angles

根據湍流特征，在某個截面處氣體速度分布呈拋物線特征，再根據氣體從噴嘴出口到截面x 處動量守恒，可以估算得到任意橫截面中心處的氣體水平速度值.

式中：umax為射流中心軸線氣體最大水平速度；U 為噴嘴出口處氣體水平速度.

根據數值模擬結果，選擇其中一個工況（氣體入射角度為60°）的數據，作氣體水平速度沿射流中心軸線的分布圖，如圖8所示.其中，橫坐標為x 與噴嘴出口孔徑d 的比值，縱坐標為噴嘴出口處氣體水平速度U 與umax的比值.該曲線擬合公式與上面的理論推導公式吻合，可以驗證數值模型的正確性.

圖9為不同氣體入射角度下的兩相噴嘴霧化液滴平均直徑分布.從圖9可以看出，氣體入射角度變化時，霧化液滴平均直徑變化不盡相同，但均呈現出相似的變化規律，即沿著噴射方向，霧化液滴平均直徑呈現先減小后增大的整體變化趨勢.

圖8 單相噴嘴氣體水平速度沿射流中心軸線的分布Fig.8 Distribution of horizontal gas velocity along centerline of single－phase nozzles

圖9 不同氣體入射角度下的兩相噴嘴霧化液滴平均直徑分布Fig.9 Distribution of droplet size at different incidence angles for two－phase nozzles

4.3 兩個兩相噴嘴模擬結果與分析

圖10 為兩個兩相噴嘴同時噴射時的氣體流場水平速度分布.模擬過程中，通過改變兩個噴嘴的水平間距考察對整個氣體流場的影響.噴嘴水平間距分別為200mm、300mm、400mm 和500mm.從圖10可知，兩個噴嘴各自的氣體流場變化規律與單個噴嘴噴射時相似，噴嘴中間的流場比較穩定，由此可認為當兩個噴嘴水平間距為200～500mm 時，兩個噴嘴各自的氣體流場幾乎沒有相互影響.

圖11為兩個兩相噴嘴同時噴射時軸向的液滴平均直徑分布.其中，橫坐標表示沿著射流中心軸線方向的距離，縱坐標表示兩個噴嘴所在平面中心軸線上的液滴平均直徑.由圖11可見，加入液滴后，不同噴嘴水平間距時，液滴平均直徑沿軸向呈現先減小后增大的變化規律，這與單個噴嘴的液滴平均直 徑變化規律相似.噴嘴水平間距對兩個噴嘴整體的液滴平均直徑分布影響很小.

圖10 兩個兩相噴嘴不同水平間距時氣體流場水平速度分布Fig.10 Distribution of gas flow field for different spaces between two－phase nozzles

圖11 兩個兩相噴嘴不同水平間距時軸向液滴平均直徑分布Fig.11 Distribution of droplet mean diameter for different spaces between two－phase nozzles

5 結 論

（1）對于單相噴嘴，在一定的軸向或者徑向距離處，隨著液體壓力的增大，液滴平均直徑減小；在一定的液體壓力時，液滴平均直徑隨軸向或徑向距離的增大而增大.

（2）對于兩相噴嘴，隨軸向距離的增大，液滴平均直徑先減小后增大；隨著氣液比的增大，液滴平均直徑逐漸減小.沿著噴射方向，液滴水平速度逐漸減小.

（3）單相噴嘴只能通過提高液體壓力這個唯一的途徑來減小液滴平均直徑，改善霧化效果，由于液體壓力的提升是有限的，因此液滴平均直徑的減小也有限.兩相噴嘴由于氣體的引入有助于減小液滴平均直徑，通過改變兩相流量的配比可以找到減小液滴平均直徑的途徑.

（4）對于兩相噴嘴模擬，改變氣體入射角度，不會改變氣體流場，但會改變液滴流場.氣體流場的擴展角為23.5°，根據擴展角可以計算射流方向不同橫截面的寬度和氣體水平速度分布等參數；液滴流場隨著氣體入射角度的變化發生了一定的改變，但沿軸向液滴平均直徑均呈先減小后增大的變化趨勢.

（5）對于兩個兩相噴嘴模擬，噴嘴水平間距為200～500mm 時，兩個噴嘴各自的氣體流場幾乎沒有相互影響；液滴平均直徑沿軸向呈先減小后增大的變化規律，與單個噴嘴變化規律相似，噴嘴水平間距對兩個噴嘴整體的液滴平均直徑分布影響很小.

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