自激振蕩霧化噴嘴結構優化與仿真＊

楊曉毅，鄧曉剛

（1.重慶科技學院資產處，重慶 401331；2.重慶科技學院機械與動力工程學院，重慶 401331）

1 引言

在很多場合下需要水射流出流液滴呈霧狀，比如噴霧降塵、降溫、涂裝等工作。在這些工作中，霧化噴嘴是工作的核心元件，直接決定了出口液滴粒徑的大小、均勻程度和分布區域。目前，為了增強霧化效果，降低出口液滴霧化的粒徑，增大液滴分布區域，通常有以下2種途徑[1]：①提高水射流壓力、增大流量來增強霧化效果，但這種方式會導致系統可靠性降低，增加能耗；②分析噴嘴內部流場，找到影響霧化效果的因素，優化噴嘴結構，從而提高射流霧化質量。目前，已經有許多新型霧化噴嘴投入工業化使用，比如旋轉射流噴嘴、扇形噴嘴、螺旋噴嘴和環孔霧化噴嘴等，但其霧化效果不理想，仍然存在一些問題，例如粒徑分布不穩定，霧化范圍不夠寬等。對現有的霧化噴嘴進行分析，優化霧化噴嘴結構，對進一步提高霧化效果有十分重要的意義。

自激振蕩脈沖射流[2]是一種新型高效的脈沖射流，不需任何外加激勵源，利用自激振蕩腔室的碰撞、反饋、激勵主射流的過程，將主射流調制為自激振蕩脈沖射流。受自激振蕩效應的影響，氣核交替地膨脹和收縮，脈動負峰值可使瞬時壓力降低，氣核發育時間明顯縮短，促使自激振蕩腔室內的空化現象顯著發生。通過合理設計諧振腔的壁面約束，能夠控制混合流體的不穩定邊界層中渦量脈動的產生和發展，通過擾動反饋來引導空化的能量參與諧振，從而對射流的不穩定邊界層進行撕裂破壞，使出口液滴粒徑減小，并增大擴散面積[3-4]。本文擬對自激振蕩霧化噴嘴的結構進行優化，使其在較低的噴射壓力下仍能提高射流的霧化效果，為自激振蕩霧化噴嘴的設計應用提供理論支撐。

2 自激振蕩霧化噴嘴優化設計及仿真計算

2.1 自激振蕩脈沖噴嘴幾何模型

如圖1所示，自激振蕩噴嘴由自激腔體（諧振腔）、上噴嘴（諧振腔入口）、下噴嘴（諧振腔出口）和碰撞壁（諧振腔反饋面）組成。主要結構參數包括上噴嘴直徑（Di）、下噴嘴直徑（DO）、腔體長度（L）、腔體直徑（D）以及碰撞壁錐面角度（α）。由文獻[2]，選取激振效果較好的一組噴嘴結構參數Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm（此時，D/DO＝5.88，DO/Di＝2.13，L/D＝0.6）作為研究對象，對此噴嘴的內流場進行數值模擬，通過研究其脈沖特性及增壓效果來分析其用作霧化噴嘴的可行性。

圖1 自激振蕩噴嘴幾何模型

2.2 自激振蕩噴嘴內部仿真計算

低壓自激脈沖射流的內部流場屬于非定常的復雜多相流，仿真計算中湍流模型、多相流模型的離散化過程中的誤差比較大，且內部瞬態流場變化頻率比較大，使用壓力、速度傳感器等檢測難度很大，且無法驗證實際流場測試和仿真計算的正確性。為了研究自激振蕩脈沖霧化噴嘴內部流場，可以將自激振蕩腔室內的多相流流場簡化發生激振前的臨界單相流狀態，分析其脈沖特性是否有能增強噴嘴出口壓力，有利于噴嘴的霧化。由于自激振蕩腔室屬于軸對稱結構，可將其處理為軸對稱模型，從而將三維流場簡化為二維流場計算。采用非結構三角形網格，對邊界層進行加密處理，所劃分的網格如圖2所示。

圖2 自激振蕩噴嘴網格劃分

設定入口邊界條件為速度入口（Velocity-inlet），入口速度為50 m/s，垂直于進口流場方向上的流體速度為零，入口壓強為絕對壓強1.5 Mpa。自激振蕩脈沖射流噴嘴的內部流場必然會存在高強度的渦環、低雷諾數區和速度梯度較大的剪切層。標準k-ω模型中包含了低雷諾數影響、可壓縮性影響和剪切流擴散，適用于尾跡流動、混合層、射流以及受壁面限制的流動，所以，選擇標準k-ω模型進行計算。用FLUENT軟件對選定的噴嘴結構Di＝8 mm，DO＝17 mm，D＝100 mm，L＝60 mm進行數值模擬，導入前面所劃分的網格文件，對噴嘴內流場進行瞬態分析計算，計算前設置湍流動能、壓力場和速度場的監測動畫。通過對流場內湍動能、壓力和速度變化過程的模擬來分析噴嘴內自激振蕩脈沖的生成過程，進而討論所選噴嘴的脈沖特性和增壓效果。圖3所示的模擬結果為從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程。

圖3 從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程

湍流動能是衡量湍流混合能力的重要參數，是考察湍流發展或衰退的指標。圖3所示的湍動能變化過程就是自激振蕩腔室內的湍流呈周期性的衍變過程。在下噴嘴段調整區內，湍動能逐漸變小，表明調整區可以增強所形成的自激振蕩脈沖射流的穩定性。

從仿真結果中還可看出，初始時刻噴嘴內的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對擾動的選擇性放大，一段時間后，難以形成周期性增大和減小的渦環，說明該噴嘴難以形成穩定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發次生渦，增加能量耗散。因此，可以從腔室結構出發，對腔體進行優化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

3 優化后的自激振蕩腔室結構及仿真

初始時刻噴嘴內的中心渦在不斷變化，可以形成自激振蕩脈沖射流，并且能起到增壓的作用。由于剪切層對擾動的選擇性放大，一段時間后，難以形成周期性增大和減小的渦環，說明該噴嘴難以形成穩定的自激振蕩脈沖射流。另外，由于腔室中周圍尖角部分的存在，容易引發次生渦，增加能量耗散，所以，可以從腔室結構出發，對腔體進行優化，使該噴嘴的脈沖特性和增壓效果更好。

根據空化理論分析，當腔體結構合理時，腔內僅存在一對渦環結構，能形成有效頻率的情況下腔內能量損失最小，可以產生最大的能量輸出，將這情況下的腔室內壁曲線定為最佳內壁形狀。進行數值優化的目的，就是通過數值模擬方式探尋最佳腔體內壁曲線，從而優化腔室的結構。

由文獻[5-7]可知，采用錐形上噴嘴時，可形成較為穩定的自激振蕩脈沖射流，且增壓效果較好；采用雙圓弧上噴嘴時，增壓效果較好，但不能形成較穩定的自激振蕩射流；采用三次曲線形上噴嘴時，增壓效果一般且形成的中心渦比較小，不利于脈沖的形成；優化尖角部分的噴嘴周圍低速區會明顯減小，會減小能量損失。綜上所述，采用錐形上噴嘴時可明顯改善噴嘴的脈沖特性，這與陳林等的研究結論（當壓力比較低時，上噴嘴為錐形流道的脈沖噴嘴特性比三次曲線和雙圓弧流道好）相似。為了得到霧化效果較好的自激振蕩脈沖噴嘴的結構，綜合上述幾種優勢特性，即在錐形上噴嘴的基礎上增加圓角，得到如圖4所示的優化后的噴嘴結構。

圖4 優化后的自激振蕩噴嘴幾何模型

圖5優化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08s湍流動能的變化過程

優化后的自激振蕩脈沖噴嘴能形成穩定的自激振蕩脈沖射流，腔內渦環能周期性的增大和減小，湍動能云圖中顯示出可以形成周期性變化的中心渦，但渦環的結構比較小，對脈沖特性影響較大，壓力云圖顯示出有一定的增壓效果，能量耗散減小。優化后的自激振蕩脈沖噴嘴從0.02～0.08 s湍流動能的變化過程如圖5所示。

4 結論

對自激振蕩噴嘴的原理進行了分析，并通過數值模擬的方式對自激振蕩脈沖霧化噴嘴的內流場進行仿真計算，分析了其脈沖特性的特點與需要改進之處。

從傳統的自激振蕩脈沖射流的流場分析中得出了對增壓和自激振蕩霧化效果不利的因素，綜合幾種結構改善措施，得出了優化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的結構。

從仿真計算結果中發現，優化后的自激振蕩脈沖霧化噴嘴的自激振蕩頻率更穩定，增壓效果更好。

本文僅完成了自激振蕩腔室的內壁曲線對出口霧化結果的影響計算，未考慮進口壓力、流量等運行參數，以及自激振蕩腔室長徑比、上下噴嘴直徑比等結構參數變化，對自激振蕩脈沖霧化噴嘴出口的脈沖特性和增壓效果影響。

參考文獻：

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［5］王循明.自激振蕩脈沖射流裝置性能影響因素數值分析及噴嘴結構優化設計［D］.杭州：浙江大學，2005.

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