飛輪轉速對霧滴粒徑影響的試驗及數值模擬

劉志超，方長順，侯韓飛，高冠濤，杜振雷

(河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

液體霧化技術在工業除塵和生物醫療方面用途廣泛，目前主要的霧化方式有噴嘴霧化、靜電霧化、超聲波霧化等[1-4]。國內外眾多專家學者對液體霧化技術進行了大量的研究工作，這些霧化技術的出現，提高了社會生產效率。王鵬程等[5]對離心式霧化器的霧化能力進行研究分析，發現霧滴粒徑隨離心式霧化器旋轉盤轉速增大而減小;棚澤等[6]采用旋轉盤對水進行離心霧化，實驗結果顯示，離心霧化時大塊液滴破碎可以分為液滴狀分裂、纖維狀分裂、膜狀分裂;余明高等[7]對荷電細水霧滅火機理探討認為，細水霧的荷電使得液體的表面張力和霧化阻力減小，液滴更易破碎成粒徑更小的霧滴，且不易發生凝聚；白鵬博等[8]通過試驗與FLUENT軟件對內混式噴嘴的霧化特性進行研究，研究發現氣壓是影響霧滴粒徑的主要因素，且模擬結果與試驗值吻合較好；林鴻亮等[9]利用LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀測量噴嘴霧滴的索特平均直徑，研究結果證明兩相噴嘴水平布置距離的大小對兩相噴嘴各自氣體流場的影響很小；趙麗娟等[10]利用FLUENT模擬原噴霧降塵系統的相似優化模型，解決了計算量大、計算難度高的問題；周良富等[11]利用試驗與數值模擬的方法研究了不同轉速下圓盤霧化器的氣流速度場的大小特點和分布狀態，試驗值與模擬值變化趨勢一致且有較好的相關性。

在飛輪造霧系統中，為了探究飛輪轉速對系統產生的霧化液滴粒徑的影響，利用LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀測試不同轉速下霧化液滴的索特平均直徑。并采用FLUENT軟件對飛輪霧化過程進行數值模擬，與試驗結果相對比，從而得到最佳霧化效果時的工況，為飛輪造霧技術能夠應用于實際生產提供了一定的指導作用。

1 試驗系統

搭建的飛輪造霧試驗臺如圖1所示，該試驗裝置利用飛輪對水進行霧化。造霧系統風道內部的下方有一個水槽，用來儲存水泵從水箱抽來的水。飛輪共有3個，被轉軸固定在水槽上方，飛輪輪周與水槽內水面相接觸。電動機帶動飛輪高速旋轉的同時，與飛輪接觸空氣的流速接近于飛輪輪周切向速度。在摩擦力的作用下水覆蓋于飛輪輪周表面形成一層水膜，經剪切力作用形成細小的霧滴。空氣流與液滴流的相互作用是影響二次霧化的主要因素[12]。離開飛輪的霧滴在高速氣流下繼續破碎為更加細小的霧滴，繼而被吹出風道。

試驗裝置分為供水系統、造霧系統和測試系統3個部分：

(1)供水系統由水箱、水泵和旋擰閥組成。可由旋擰閥自由調節系統供水量，利用水泵將水源源源不斷地輸送到水槽中去。

(2)造霧系統由飛輪、水槽、風機和電動機組成。電動機通過轉軸使飛輪旋轉，調節電動機功率可以改變飛輪轉速。改變風機功率，可以使系統入口處風速改變。飛輪將水槽內的水破碎成小顆粒液滴，然后經風機吹送出風道。

(3)測試系統由LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀激光發射箱、激光接收箱、USB數據線和臺式電腦、配套軟件組成。根據光散射理論及反演算法對測得的散射光能分布數據進行處理，就可以得到被測液滴的粒度分布[13]。

2 試驗結果及分析

飛輪造霧系統中影響霧化液滴粒徑大小的主要因素有飛輪轉速和風速。試驗通過固定風速改變飛輪轉速的方式，利用LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀來測定霧化液滴索特平均直徑(D32)的變化情況。試驗中固定風速調節飛輪轉速，并設置多組風速進行對比試驗。調節風機，分別設置風速為5,7,9 m/s。調節飛輪轉速，使轉速分別為600,800,1 000,1 200,1 400 r/min。將LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀置于距系統出口0.5 m處進行測量，得到試驗結果并加以分析。

當風速為5 m/s時，飛輪轉速從600 r/min提高到1 000 r/min，霧化液滴的索特平均直徑從200.73 μm減小到105.27 μm。當飛輪轉速為1 000 r/min時，霧化液滴的索特平均直徑達到最小。但當飛輪轉速超過1 000 r/min并增大到1 400 r/min時，霧化液滴的索特平均直徑又會逐漸從105.27 μm增大到134.74 μm。不同工況下具體試驗數據如表1所示。

表1 不同工況下霧化液滴索特平均直徑Table 1 Average diameter of atomized droplets in different conditions μm

分別改變風速為7 m/s和9 m/s時，霧化液滴的索特平均直徑有相同的變化規律，即隨著飛輪轉速的提高，霧化液滴的索特平均直徑逐漸變小，達到1 000 r/min時霧化液滴的索特平均直徑最小，超過1 000 r/min后又會逐漸增大。當風速為7 m/s和9 m/s時，霧化液滴最小索特平均直徑分別為69.52 μm和43.68 μm。

霧化液滴粒徑出現先減小后增大的趨勢，是水滴在飛輪上的受力大小變化造成的。當飛輪轉速小于1 000 r/min時，隨著飛輪轉速提高，水滴在飛輪上所受的剪切力逐漸增大，使水滴撕裂為更加細小的液滴。當飛輪轉速超過1 000 r/min時，過大的離心力使水滴來不及裂解為更小的液滴就被甩出飛輪，并撞擊到風管內壁上又聚合成大液滴，造成霧化液滴粒徑隨飛輪轉速增大而增大的情況。

圖2為水滴在飛輪輪周上的受力示意圖。設飛輪半徑為R，飛輪輪周上任意一點處的水滴為M0,質量為m，M0隨飛輪轉動做加速運動，轉過角度θ到達M點。

圖2 輪周上任一點水滴運動分析Fig.2 Analysis of water droplet motion at any point on the wheel circumference

M點處水滴的角速度為:

角速度ω與飛輪轉速n的關系為:

M點處水滴速度為:

v=Rω

則切向力Ft=mat=mRα

從試驗結果分析可得，風速一定，霧化液滴索特平均直徑隨飛輪轉速增大有一個先減小后增大的趨勢，當飛輪轉速為1 000 r/min時達到最小。風速為9 m/s,飛輪轉速為1 000 r/min時，系統霧化液滴索特平均直徑最小。

3 霧化模型和數值模擬

飛輪造霧是一種全新的霧化方式，CFD軟件在一定程度上可以對液體霧化進行預測[14]。因此，為了更加明了飛輪造霧的霧化特性，彌補試驗方面的不足，利用FLUENT軟件對其在不同條件下進行數值模擬，以期得到更多相關數據及改進方案。

3.1 建立模型

利用GAMBIT軟件對整體計算區域進行二維建模并劃分網格，為保證計算結果準確性，對所有計算區域均采用結構化網格劃分，如圖3所示。飛輪造霧實驗系統的計算域由一根直徑為1 m的圓形風管組成，水平風管長2.5 m，左端為入風口，右端為60°彎角的S形彎管，彎管右端為氣霧出口；飛輪位于水平風管內部，飛輪圓心距入風口2.05 m，距水平風管上端0.6 m；在出口處加有一個0.5 m×1 m的下游流場計算區域以測試離開系統的液滴的數據。對氣液兩相流模擬結果精確度要求較高的地方進行網格加密處理。

根據飛輪造霧系統自身特點，對霧化模型和下游流場區域進行以下處理：

圖3 幾何模型與網格劃分Fig.3 Geometric model and mesh division

(1)對系統風管內部區域和出口下游流場進行二維簡化處理。

(2)計算過程中采用稠密離散相模型(Dense discrete phase model，DDPM)，空氣為主要相，水為次要相，稠密離散相模型是一種基于Eulerian-Lagrangian的雙流體模型，可以更加確切地預測流體的流動[15]。

(3)計算過程中采用wave波動破碎模型，忽略霧化液滴的形狀變化。

3.2 飛輪造霧數值模擬結果及分析

分別設置空氣入口速度為5，7，9 m/s，飛輪轉速為600，800，1 000，1 200，1 400 r/min。模擬不同工況下的飛輪霧化特性，計算下游流場霧化液滴的索特平均直徑。

圖4 霧化液滴D32隨飛輪轉速的變化Fig.4 Variation of atomized droplet D32 with flywheel speed

圖4是利用FLUENT軟件對飛輪霧化液滴大小模擬值的變化曲線圖。從圖中可以看出霧化液滴從系統出口吹出后，其索特平均直徑在一定范圍內有一個先減小后增大的變化趨勢，這與試驗結果的變化趨勢基本吻合。但是試驗值與模擬值也存在一定的差異，這是因為在數值模擬中采用的是二維簡化模擬，而實際的霧化過程是三維立體的。在邊界條件和初始參數的設置中，理想化和默認的參數都會使模擬值與試驗值產生一定的誤差。

為了對飛輪霧化的過程進行可視化分析，選取風速為9 m/s，飛輪轉速為1 000 r/min，對飛輪霧化過程進行模擬動畫顯示。圖5顯示了飛輪造霧系統在0.1～0.6 s時霧化液滴粒徑的大小和分布。

圖5 霧化液滴隨時間分布Fig.5 Distribution of atomized droplets over time

從圖5可以看出，在初始階段，霧化液滴在飛輪轉速、風速和重力作用下會在靠近風管內壁的位置有一定程度的堆積現象。隨著時間的增大，霧化液滴逐漸增多并在風管內部分布越來越均勻，直至充斥于整個風管，然后被吹出系統。達到穩定狀態，大顆粒液滴在逐漸減少，液滴顆粒堆積現象在逐漸減輕。

對系統出口0.5 m處截面上的霧化液滴粒徑試驗值和模擬值進行相關性分析，結果如圖6所示。相關曲線為y=0.414 393x+114.048 112，決定系數為R2=0.775 464，可以看出試驗值與模擬值具有較好的相關性。

圖6 模擬值與試驗值相關性分析Fig.6 Correlation analysis of simulated and experimental values

4 結論

1)風速一定，飛輪轉速增大，霧滴的索特平均直徑先增大后減小。因此，可以通過調節飛輪轉速來控制霧化液滴的粒徑。

2)當入口風速為9 m/s，飛輪轉速為1 000 r/min時，霧化液滴的粒徑為43.68 μm，飛輪造霧系統的霧化效果達到最佳。

3)FLUENT軟件模擬結果顯示，飛輪造霧系統經0.6 s達到穩定狀態。模擬值與試驗值變化趨勢基本吻合，且具有較好的相關性。

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