出口直徑對壓力旋流噴嘴霧化特性的影響

田 暢 石佚捷 王 健 譚烜昊

(湖南科技大學資源環境與安全工程學院)

隨著國內經濟的迅猛發展，大氣污染問題日趨嚴峻。近年來，國內部分地區霧霾現象越來越頻繁和嚴重，給城市居民的健康帶來了很大的威脅，目前除塵降霾的主要方法是以濕式除塵為主。噴嘴作為濕式除塵設備的重要元件，其霧化能力決定了在噴霧中進行除塵的效果。內置旋芯的旋流噴嘴因其結構簡單、成本低、霧化性能較好等特點，在煤礦噴霧降塵及工業領域被廣泛采用[1-4]。聶濤等人用試驗的方法對壓力旋流噴嘴霧化特性進行研究[5]；董星濤等人用數值仿真的方法對低壓旋流噴嘴的噴霧特性進行分析[6]；Nichols BD 等人利用 VOF 模型對不同直徑噴嘴的霧滴粒徑和速度進行分析[7]；C.W.Hirt 等人對不同種類的噴嘴，用歐拉模型對噴嘴進行連續相模擬，對不同噴嘴的結構影響霧化角和速度進行模擬分析[8]。在評價噴嘴霧化性能時多采用索特爾平均直徑(SMD)[9]，本文應用壓力噴嘴，對在不同直徑下噴嘴的霧化特性進行了試驗研究，并利用Fluent中計算流體力學(CFD)軟件對噴嘴的外流場進行三維數值模擬。將試驗結果與仿真結果進行對比。分析了出口直徑對壓力旋流噴嘴霧化特性的影響。

1 模型建立及求解

1.1 物理模型

如圖1噴嘴外流場模型所示，根據試驗中噴嘴的噴射情況建立噴嘴外流場的物理模型，針對旋流霧化噴嘴外流場幾何模型規整的簡單結構，采用HEX/Wedge和Cooper網格劃分，整個模型劃分網格單元數1 237 285個，節點數 1 212 800個。外流場根據試驗中噴霧錐角及所測距噴口軸向和徑向距離的需要，建立底面直徑為2 m、高為4 m 的圓柱體模型，圓柱體模型左邊圓面位于XY軸上，坐標原點位于XY軸圓心處，圓柱體位于Z軸正半軸上。噴嘴模型采用Fluent中自帶的壓力旋流噴嘴模型，噴嘴模型設置在坐標原點處，即XY軸圓心處，沿Z軸正向噴射。通過改變Fluent中自帶壓力旋流噴嘴模型中的流量、霧化角等參數，對噴嘴霧化的速度場和壓力場進行數值模擬仿真，分析壓力旋流噴嘴外流場的霧化特性，從而得出直徑對壓力旋流噴嘴霧化特性的影響規律。

圖1 噴嘴外流場模型

1.2 控制方程

在進行數值模擬時，將圓柱體模型當做噴嘴噴霧中的流場，噴嘴噴射出液體旋轉運動的過程也就是流體在流場中的流動。任何流體流動都要遵循物理守恒定律，質量守恒、動量守恒、能量守恒是流體運動必須遵從的三大定律。

而對于Realizablek-ε模型滿足雷諾應力的某些數學約束，符合湍流流動的物理規律，其對包含有旋轉運動的流體仿真分析時優勢很明顯。方程如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

以上式中，ρ為流體密度；?k,?ε為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數；Gk為由平均速度梯度所產生的湍動能；μ為分子黏性系數；μt為湍流黏性系數。

在Fluent中，Realizable模型中默認參數：

C2=1.9,σk=1.0,σε=1.2,A0=4.04。

1.3 邊界條件及參數設定

在Fluent中選用壓力旋流噴嘴模型(pressure-swirl-atomizer)，壓力旋流噴嘴里的噴嘴流量和霧化角參數是根據試驗中所得，如表1中試驗所得參數，將其代入Fluent中進行求解。壓力旋流噴嘴的流場入口處端面設置為壓力入口邊界條件(pressure-inlet)，噴嘴的流場出口處端面設置為壓力出口邊界條件(pressure-outlet)，對應的進口端面和出口端面的壓力條件不需設置，對于噴嘴外流場其他表面設置為默認的壁面(wall)邊界類型。此次模擬主要目的是對噴嘴霧化特性進行仿真，基于壓力求解(pressure-based)，采用瞬態進行計算，需要考慮重力問題，故將重力設置為沿噴嘴口軸向正方向，即沿模型Z軸正方向。打開能量方程，用Fluent自帶的壓力旋流噴嘴模型進行數值模擬時，氣流湍流方程采用可實現Realizablek-ε兩方程湍流模型。需要應用離散項模型(DPM)。設置好射流條件(injections)之后開始對噴嘴噴射情況進行模擬迭代計算，噴射過程中，始終伴隨著液滴破碎和液滴融合，故在定義噴射模型的時候，勾選液滴融合和液滴破碎模型，破碎模型設置為wave模型并保持默認參數[10]。在曳力法則中選擇dynamic-drag。求解參數控制中壓力—速度耦合方式采用SIMPLE；方程的離散格式中，考慮到流場具有旋轉和高曲率的性質，壓力插值采用PRESTO，方程插值均采用二階迎風格式，在SIMPLE算法迭代過程中，通過采用欠松馳迭代法可以減弱參數變化的幅度，促進收斂[11]，欠松馳因子在 0.5～1.0 取值。

表1 試驗所得參數

2 模型驗證

試驗所用設備壓力噴嘴見圖2，圖3為馬爾文粒徑分析儀，用于測定霧滴粒徑，得到霧滴粒徑D32數據結果。用德國高速攝像儀對噴嘴的霧化情況進行拍照，拍攝分辨率選用6 016×4 016，為了保證照片的清晰度，將拍得的照片用專業圖像處理分析軟件Image Pro Plus進行處理分析，得到噴霧的霧化錐角數據結果。圖4為噴霧樣本照片，圖5為Fluent中模擬的粒子空間分布狀況，圖6為流場中心截面上的速度云圖。

圖2 壓力噴嘴

圖3 馬爾文粒徑分析儀

由圖4、圖5可見，模擬中粒子的空間分布狀況和噴霧樣本照片中的噴射流場三維圖形均呈圓錐形

圖4 噴霧樣本照片

圖5 粒子空間分布

圖6 流場中心截面上的速度云圖

放射狀噴射。由圖6可見，射流截面上速度梯度中間大，四周小，從軸線方向上看，整個流場呈放射狀由中心向四周擴散。在上述顯示的圖4中的噴霧樣本照片和圖5中的粒子圖上表示的是整個噴霧場三維圖形，其呈圓錐狀由中心向四周擴散。而圖6顯示的是二維圖形，從模擬中的噴霧狀況三維和二維圖形中可以看出其和試驗中的噴霧狀況相一致，說明模擬中所設的模型是吻合的。

在3 MPa壓強不變的條件下，在距離噴嘴中心橫向距離1 m 處得到不同直徑下的噴嘴流量和霧化錐角試驗數據結果，將試驗得到的噴嘴流量和霧化錐角結果代入Fluent中進行模擬計算，將試驗和模擬得到霧滴粒徑D32和速度數據進行對比，對比結果見表2。

表2 試驗與模擬結果對比

由表2可知，試驗測定結果與數值模擬計算結果相對誤差均小于20個百分點，大部分相對誤差小于10個百分點，甚至部分結果相對誤差為5.4個百分點，都在誤差允許范圍內。數值模擬得到的結果與試驗測量數據存在一定差異，但總體上比較貼近。數值模擬將影響霧化粒徑的主要因素考慮在內，忽略次要因素，存在一定的適用范圍，與試驗測量數據存在一定的誤差在可接受范圍內，可利用數值模擬對噴嘴的霧化效果做出合理的評估預測。

3 模擬結果與分析

3.1 噴嘴直徑對霧滴粒徑的影響

在不同直徑下距離噴嘴中心軸線1 m處橫截面上的粒徑分布見圖7，在不同直徑下霧滴粒徑D32沿軸向分布曲線見圖8，在不同直徑下霧滴粒徑D32沿徑向分布曲線見圖9。

圖7 距噴嘴中心軸線1 m處橫截面上的粒徑分布

由圖7可見，3個圖形皆呈拋物線狀，而且隨直徑的增大，拋物線的錐形范圍逐漸擴大；從其含義可知，其頂端輪廓下所包括的面積即為此范圍段液滴粒徑所占的體積頻率，故體積頻率分布隨直徑的增大而逐漸分散，中間段的液滴越來越少，由中間段分散到周圍的液滴越來越多，即液滴粒徑分布隨噴嘴直徑的增大而越來越分散。當孔徑較小時，顆粒之間的碰撞相對較大，對其粒徑影響較大；隨噴嘴直徑的增大，顆粒間碰撞相對較小，對其粒徑空間分布影響較小。這說明，當噴嘴孔徑較小時，會使得霧粒粒徑分布更趨集中、均勻，故形成了圖中所示圖形。

由圖8可見，在距噴嘴距離相等處，直徑為0.8、1.0和1.2 mm的噴嘴間的粒徑變化大些。而直徑為1.5、1.8 和2.0 mm相對較大的噴嘴，噴嘴間粒徑變化相對小些。究其原因，在同等入射壓力條件下，在壓力旋流噴嘴直徑較小情況下，射流噴出時的湍流現象更顯著，液體內部間和液體與空氣間的剪切作用更大，較小直徑的噴口形成的液膜厚度更小，故而液膜破碎后形成的霧滴D32小，對其粒徑的空間分布影響較大。當噴射壓力相同時，噴口直徑大的所形成的液膜較大，破碎后的霧滴粒徑D32也較大，在壓力旋流噴嘴直徑較大的情況下，其顆粒間的碰撞程度相對較小，導致其破碎程度較低，其霧滴粒徑D32也相對較大，對其粒徑的空間分布影響較小。在實際工況中和對環境有益的情況下，直徑為1.2 mm的噴嘴霧化效果較好。而由圖9可見，在徑向方向直徑越大其粒徑也越大。空氣與霧粒間的能量交換、霧粒破碎和聚合導致其粒徑大小在徑向方向波動不定。在同一截面處，由于其距離噴嘴較遠，空氣與霧粒間的能量交換愈發頻繁、劇烈，霧粒破碎分裂霧化的可能性遠小于碰撞聚合的概率，由中心到邊緣時，霧滴相互碰撞融合的程度越來越高，導致其粒徑逐漸增大。

圖8 不同直徑下D32沿軸向分布

圖9 不同直徑下D32沿徑向分布

3.2 噴嘴直徑對霧滴速度的影響

在不同直徑下流場中心半截面上的速度云圖見圖10，在不同直徑下軸向速度變化規律見圖11，在不同直徑下距離噴嘴1 m處橫截面上的徑向速度變化規律見圖12。

圖10 流場中心半截面上的速度云圖

由圖10可見，隨著噴嘴直徑的增大，其噴霧場的霧化錐角也逐漸增大，這與試驗數據顯示在同一壓強下隨噴嘴直徑的增大，霧化錐角也增大比較吻合。射流截面上速度梯度中間大，四周小，液體在中間部位集聚較多，從軸線方向上來看，隨著噴嘴直徑的增大，中間紅色速度區域在逐漸擴大，四周低速區也微有擴大，整個噴射區域在擴大[12]。

圖11 不同直徑下軸向速度變化

圖12 不同直徑下徑向速度變化

由圖11可見，在距噴嘴距離相等處，當直徑較小時，其軸向速度也相對較小。在同等入射壓力條件下和距噴嘴距離相等處，在壓力旋流噴嘴直徑較小情況下，射流噴出時的湍流現象更顯著，液體內部間和液體與空氣間的剪切作用更大，而且其顆粒間的碰撞程度相對較大，導致其破碎程度較大，在破碎的過程中進一步損耗了霧粒的動能，導致霧粒的速度較小。

由圖12可見，在距軸線距離相等處，隨著噴嘴直徑的增大，其徑向速度相對較大。究其原因，在同等入射壓力條件下和距噴嘴軸向距離相等處，在直徑較大的情況下，顆粒間的碰撞較小，導致破碎程度較小，損耗霧粒的動能較小，從而霧粒的速度相對較大。

4 結 論

通過試驗數據結果和仿真結果的對比，并用Fluent對在不同直徑下噴嘴外流場的霧化特性數值仿真分析，得出以下主要結論：

(1)根據噴嘴霧化試驗結果和模擬結果可知，在同等入射壓力下，噴嘴直徑較大時，霧滴粒徑D32和速度相對較大。

(2)在直徑較小時，顆粒之間的碰撞相對較大，其直徑變化對粒徑分布影響較大。而當直徑較大時，其直徑變化對其粒徑分布影響較小，霧化效果區別不明顯。在實際工況中和對環境有益的情況下，在煤礦噴霧降塵的時候，應該選用直徑為1.2 mm的噴嘴進行噴霧降塵。