基于FLUENT的縱向風速促進霧化數值模擬分析

唐 聰

（西華大學機械工程學院，四川 成都610039）

噴頭廣泛運用于農業噴灑、淋浴、消防與工業循環水霧化降溫等領域。噴霧過程是一個突變的過程，其受到輸入壓力、輸入流量、噴頭結構、外部條件等眾多因素的影響，噴霧粒徑也受到輸出速度與氣液夾角等因素的影響。[1-2]現實生活中，單純的噴頭在大氣壓力中噴射很少出現，常常伴有縱向風與橫向風的影響。現階段，對橫向風效果影響較多，但是對縱向風促進噴頭霧化研究很少。ANSYS FLUENT軟件是是國際主流仿真軟件之一，其內置噴霧模型能夠準確地模擬出各種噴霧效果。[3]本文在充考慮傳熱模型、湍流模型、組分模型與離散相模型的情況下，研究縱向風對工業循環冷卻水噴頭的霧化效果的影響。

1 模型與仿真方法

1.1 噴頭模型

本文以某工廠工業循環水霧化冷卻噴頭為例，其噴頭內徑為8mm，進水溫度為55℃，在0.2Mpa輸入壓力下，根據噴頭內部的仿真結果所示，出口速度為20m/s，流量為0.2kg/s，粒徑在0.1～0.5mm之間。噴頭二維結構如圖1所示。

圖1 噴頭二維模型

1.2 網格劃分

運用ICEM CFD對霧化區域進行網格劃分。劃分網格時，考慮流場復雜性與霧化場邊界結構，為保證結果的準確性，采用純六面體非結構網格。霧化區域為4m×4m×4m正方體結構，網格數量為64000，用 Determinant 2×2×2 檢查網格質量完全為1，網格質量優秀，達到霧化場仿真需求，網格劃分如圖2所示。

圖2 霧化場網格劃分

1.3 仿真方法

用雙精度方式打開軟件后，分別打開能量方程、標準k-ε方程、組分傳輸模型、離散相模型，噴頭結構采用solid cone模型，粒徑用rosin-rammler方法描述，設定噴頭在縱向風吹過0.2s后流場達到穩定時開始噴射，噴射時間設置為1s，改變縱向風速為 0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，5m/s，10m/s，20m/s，分別對其進行數值模擬。

2 噴嘴噴射的數學模型

噴霧可看作不可壓縮流體，其連續性方程在空間直角坐標系中的表達式為：

式中：Vx，Vy，Vz分別為速度矢量分別在 x，y，z方向上的速度分量。

動量方程（N-S方程）為：

ui為 x、y、z方向上的速度張量，μ 表示動力粘度，單位為 N·s/m2；ρ 為流體密度，kg/m3。[4]

噴霧噴射是一種高湍流狀態，因此采用標準kε方程描述。k是速度波動的變化量湍動能，單位為m2/s2.ε指速度波動耗散的速率，為動能耗散，是單位時間的湍動能，單位為m2/s3。其運輸方程如下：

其中：Sk與Sε是用戶自定義源項，Gk和GB是由平均速度梯度引起的湍動能的k的產生項，YM為壓縮流體中脈動擴張的影響值，C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε為常數，在 FLUENT 中，默認 C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.99，σk＝1.0，σε＝1.3[5-6]。

3 結果與分析

各風速下霧化粒徑分布、霧化場中間軸線溫度及霧滴中間平面霧滴粒徑概率分布如圖3、圖4、圖5所示：

圖3 霧化粒徑分布

圖4 各縱向風速下霧化場中間軸線溫度

圖5 中間平面霧滴粒徑概率分布

分析：對比各縱向風速下粒徑分布圖可知，隨著縱向風速逐漸增加，縱向風有促進噴頭快速實現充分霧化的效果，噴射時間同為1s時，無風狀態下噴霧高度在3m，1m/s縱向風速下已經到達4m，當風速超過2m/s后，液體已經實現了充分霧化。

對比各縱向風下中間軸線溫度可知，縱向風在促進噴頭霧化效果的同時，可加快霧滴與空氣之間換熱。軸線方向剛開始時，溫度有一定的上升階段，是由于噴霧射出時，會與空氣接觸，在噴頭處可形成單相區、空穴區及回流區三個工作區[7-8]。空穴區一般是空氣，因此溫度在軸線出是一個緩慢增加趨勢。隨著風速的增加，中間軸線最高溫度由無風狀態308開氏度，當5m/s風速時已經降到了306開氏度，在10m/s風速下，軸線方向最高溫度已經在305開氏度以下，同比無風狀態降溫效率提高了12%。

根據各平面中間平面粒徑大小可知，當無縱向風時，粒徑大小在0.1mm到0.2mm之間遞增，其中0.2mm處粒徑達到了35%以上，且有8%左右的粒徑大小超出了0.2mm；當縱向風速為1m/s時，中間平面粒徑大小50%以上為0.18mm左右，0.2mm的粒徑占11%；當風速為2m/s時，粒徑小于0.2mm的占比已經到達75%，且大多在0.18～0.2mm之間；當縱向風速為5m/s時，中間平面粒徑大小呈一種較均衡的趨勢，受到蒸發的作用，小粒徑液滴快速蒸發，較大粒徑液滴數量占比相對升高，粒徑集中與0.18mm，小于0.2mm的粒徑仍占50%左右；當風速在10m/s時，粒徑已經全部分布在0.2mm左右；隨著風速的增加，粒徑開始逐漸變小，且向某一數值趨近。

4 結 論

通過Fluent數值模擬可知，縱向風有促進噴霧更加迅速實現充分霧化的效果；且縱向風速有促進液滴蒸發，加快液滴換熱的效果，風速越高，溫度降得越快；隨著風速的增加，液滴平均粒徑會逐漸減小。本文可為縱向風促進霧化冷卻相關研究提供參考；在設計需要采用通過霧化降溫的機械裝置時，可考慮使用縱向風促進霧化。