氣泡霧化噴嘴內部流場流型數值分析

摘 要：本文基于Fluent商業軟件的VOF模型對噴嘴內腔氣液兩相流動的數值進行模擬，并將模擬結果與公開發表的實驗結果進行對比，并在此基礎上分析進氣口數量、噴嘴內部幾何結構及氣液比對氣液兩相流型的影響，討論有利于獲得穩定環狀流的噴嘴結構改進方式和氣液比范圍。

關鍵詞：氣泡霧化;數值模擬;氣液兩相流動

中圖分類號：O35 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0071-05

1 研究背景

氣泡霧化噴嘴是由Lefebvre在20世紀80年代末期最先提出的。其工作原理是：氣體以略高于液體壓力的方式注入混合腔內，形成穩定的氣泡流動，氣體的介入首先加強了出口處液體的流速，然后氣泡會對液體產生擠壓和剪切作用，使液體以包含微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，接著氣泡內外壓差的劇烈變化會促使其急劇膨脹直至破裂，從而將包裹的液膜進一步破碎為更細微的液霧顆粒。與壓力式噴嘴及兩相流噴嘴相比，氣泡霧化只需要體積很小的混合腔，故氣泡霧化噴嘴結構簡單，體積較小，同時又具有低能耗、高霧化品質、霧化質量受液體黏度影響小等優點，因此被廣泛應用在工業領域。

Petersen研究了噴嘴出口、混合室尺寸及流體性質對霧化效果的影響[1];Rahman和Panchagnula等人研究了液滴速度的軸向分布及ALR對霧化效果的影響[2，3];Ariyapadi等人對液滴軸向速度和均方根速度的分布特性進行分析，并在此基礎上進一步得到速度擬合曲線[4]。馬培勇[5]和梁雪萍[6]等人認為混合室長度處于一定范圍內才能產生較好的霧化效果;王乃華等人對實驗結果進行研究，相關數據表明，平均霧滴粒度受到氣液質量比和濃度的影響較大[7]。氣泡霧化噴嘴的相關國內外研究一般集中于對噴嘴外部流場的測量分析，未涉及噴嘴內部流型的計算預測。

為觀察噴嘴內部流體特性變化，美國Taiteeh公司的Lin等人使用兩片石英玻璃制作了一個矩形的氣泡霧化噴嘴以觀察噴嘴內部的兩相流動，他們對噴嘴內部氣液交界面進行拍攝并進行了相關總結，混合腔內的氣液兩相流流型及所對應的外部霧化結果如圖1所示。

從圖1可知，混合腔內的氣液兩相流流型基本可以分為泡狀流、塊狀流、彈狀流和環狀流這四類典型流型。

對圖1中各流型的霧化效果進行觀察，可以直觀地看出，塊狀流和彈狀流無法得到穩定的外部霧場，而泡狀流和環狀流則可取得較好的霧化結果，并且這四類流型中，環狀流相對于其他流型而言可以產生直徑更小的液滴，即產生更好的霧化效果。

本文對混合腔管的內部構造進行改進，通過Fluent仿真得到混合腔管內部流型圖，比較不同結構下的內部流型，以研究混合腔管的結構對霧化噴嘴在一定時間內形成穩定的環狀流的影響。本文對混合腔管結構做出如下改變：在氣液比增加相同的情況下，觀察較多注氣孔對霧化結果的影響;縮小噴嘴出口附近的管徑，在相同進氣流量下與初始結構噴嘴內部的氣液體積情況進行比較。

2.2 物理模型和網格劃分

混合腔內部的氣泡兩相流型變化反映了氣泡霧化噴嘴的內部流場特性，將混合腔氣液混合區選取為仿真計算的計算域，根據對稱性，取混合區的一半作為計算域以便提高計算效率。

計算域的網格劃分是通過ANSYS軟件自帶的網格劃分軟件ICEM CFD進行的，采用具有四面體和六面體網格的混合網格（主要為四面體），劃分結果如圖4所示。為取得較好的仿真結果，網格數量最終確定為11萬，并加密了注氣孔及附近位置網格，混合腔壁采用邊界層網格。

從圖6可知，此時的兩相流型已經穩定，并且注氣孔中氣體在進入混合腔后形成直徑2mm左右的氣泡，氣泡隨著液體以一定速度向噴嘴出口運動，這些氣泡處于離散狀態，該狀態是由氣液比較小所導致的氣體質量流量較小而決定的。同時，分析仿真視頻可知，生成一個氣泡所需的時間大約為6～7ms。隨著氣泡不斷生成，由于下游的注氣孔形成的其他氣泡與混合腔上方所產生的氣泡相遇并合并，導致氣泡沿混合腔軸向逐漸增大。

這一過程同黃鑫所進行的實驗觀測得到的結果基本一致，因此該仿真可以真實反映噴嘴混合腔管內部的兩相流型。在此基礎上，繼續改變噴嘴混合腔管的內部結構，對不同氣液比下的兩相流型進行仿真。

氣泡霧化噴嘴內部混合腔管為完全對稱結構，混合腔管的對稱面可以很好地反映內部混合腔管的兩相流型。對氣泡霧化噴嘴內部混合腔中的流場進行仿真計算，以中間對稱面上兩相流形態結果為對象進行分析。初始結構，結構1和結構2的仿真結果及分析如下所述。

3.1 初始結構的仿真計算結果及其分析

圖7為兩相流型圖。由圖7可知，混合腔管內部在一段時間后可以形成穩定的環狀流，且環狀流具有周期性，這是由混合腔管內部壓力不斷變化所導致的。具體過程為，首先在噴嘴混合腔管內部形成環狀流，并產生體積較大的氣泡，氣泡導致腔管內部壓力降低，液體不斷涌入腔管內部，對氣泡造成擠壓，隨著涌入的液體量不斷增加，氣泡間重新形成液體界面，并最終呈現周期性。

表2給出了初始結構的注氣孔不同注入氣體的速度下形成穩定周期所需的時間，且在不同工況下兩氣泡間間隔分別為18、15.4、13.5ms和12.7ms。

通過分析仿真結果可以得出：增加進氣速度，即增大氣體質量流量，氣液比ALR增大，使噴嘴混合腔管內部的流體流型由泡狀流逐步變成環狀流，且環狀流兩氣泡間隔時間逐步縮短，可以提高噴嘴的霧化效果。

3.2 結構1的仿真結果及其分析

結構1的混合腔管同初始結構相比，進氣孔數量增加1倍，即在相同的進氣速度下，噴嘴的進氣流量是初始結構的2倍，氣液比ALR也是初始結構的2倍。計算得到的仿真結果如圖8所示。

由仿真所得的兩相流型圖可知，增加進氣孔數量后，分析數值模擬得到的混合腔管內部兩相流流型視頻，不同進氣速度下形成較為穩定的環狀流所需時間見表2。觀察兩相流型圖，在混合腔管上半部分可以形成較多體積較小的氣泡，氣泡隨液體向下運動，在靠近噴嘴出口處集聚成一個大氣泡，且隨著進氣速度的增加，大氣泡的體積有越來越大的趨勢。以上分析表明，進氣速度的增加可以延長環狀流的維持時間，進而使噴嘴外部能長時間保持較好的霧化狀態。

3.3 結構2的計算結果

混合腔管結構2與初始結構相同，均具有三排注氣孔，其區別在于，混合腔管結構2的噴嘴腔管在靠近出口端的管徑減小。由于注氣孔結構相同，在相同的進氣速度下，混合腔管結構2與初始結構的進氣流量以及氣液比ALR相同。結構2混合腔管在達到穩定時的內部流型圖見圖9。

結構2能形成穩定周期的環狀流所需時間見表2。很顯然，在相同的進氣流量條件下，結構2比初始結構的混合腔管更早形成穩定的環狀流，且兩氣泡間隔時間也較短。因此，縮小靠近出氣口一側的管徑的噴嘴結構有助于提高噴嘴的霧化效果。

4 數據分析

當氣泡通過噴嘴出口時，液體受到氣體的擠壓和剪切作用，以包含大量微小氣泡的液絲或液線的形式噴出，在距離噴口極小的距離處，由于氣泡內外壓差的劇烈變化，而促使其急劇膨脹直至破裂，同時將包裹在其周圍的液膜進一步破碎，形成更加細微的顆粒群。因此，霧化發生在氣泡通過噴嘴出口的時段，噴嘴的霧化效果由氣泡通過噴嘴出口的時間同混合腔管穩定后形成環狀流的周期的時間比值共同決定。Lund在1993年提出了一個計算索特平均直徑的Lund公式，公式如下：

4.1 氣泡通過噴嘴出口處時間占總時間的比值

由上述分析可知，霧化現象發生在氣泡通過噴嘴出口的時段。因此，氣泡通過噴嘴的時間占總時間的比值直接決定了霧化時間的長短。圖10為混合腔管在不同結構下隨著氣液比變化的環狀流型時間百分比曲線。

由該曲線可知，隨著氣液比的增加，三種結構下的環狀流時間所占比值都是增加的。在較低的氣液比下，初始結構的霧化效果較好，但隨著氣液比的增加，初始結構環狀流時間所占比值明顯小于另外兩種結構，且結構1的環狀流時間所占比值在相同氣液比下要大于結構2。

相同氣液比下，使氣體經過更多的注氣孔進入混合腔管中能形成更加穩定的環狀流;縮小噴嘴出口附近的管徑也可以在一定程度上提高環狀流的穩定性，提高環狀流時間所占的比值，即得到更好的霧化效果。

4.2 噴嘴出口處的含氣率

霧化過程是一個十分復雜的過程，現今并沒有一套完全令人信服的理論用于描述霧化過程。Lefebvre認為，霧化可分為圖11所示的6個過程：流體在噴嘴出口附近形成液膜，產生波動后形成液線，然后破碎成較大的液滴，再破碎成較小的液滴，最后小液滴又會凝聚，發生二次破碎。

由上述的公式（3）可知，噴嘴出口處的液膜厚度與霧化形成的液滴直徑成正比，而噴嘴出口處的含氣率對出口處的液膜厚度具有較大影響。

由于噴嘴出口處的氣液相對速度是不斷變化的，那么出口處的含氣率也是不斷變化，因此我們選取含氣率較為穩定的一段時間的平均值作為評價標準。圖12為三種不同結構的噴嘴在不同氣液比下的含氣率變化。

從圖12中的曲線圖可知，三種結構的噴嘴，其噴嘴出口處的含氣率都與氣液比成正比。在實際應用中，氣液比通常大于0.05。根據得到的計算結果，在氣液比大于0.05的情況下，相較于其他兩種結構，結構1的含氣率明顯更大。而初始結構和結構2在氣液比處于0.05到0.08之間時，兩者的含氣率相差不大，氣液比大于0.08時，結構2的含氣率要大于初始結構。

在氣液比小于0.1的情況下，三種噴嘴含氣率都明顯增長，大于0.1后則趨于平緩。考慮到噴嘴霧化的經濟性，可將氣液比定在稍大于0.1的值附近。

本文采用Fluent對不同結構的氣泡霧化噴嘴進行仿真運算，對結果進行分析可知：增加噴嘴的進氣孔數量和縮小噴嘴出口附近的管徑對提高噴嘴的霧化效果都具有有利影響，一方面可以提高噴嘴發生穩定霧化的時間，另一方面可以得到更好的霧化效果。因此，在滿足制造工藝所需條件的基礎上，應通過增加進氣孔數量及縮小噴嘴出口附近管徑對噴嘴進行改進。

參考文獻：

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