氣泡霧化噴嘴泡狀流噴霧特征試驗(yàn)與仿真

孫春華 寧 智 喬信起 李元緒 呂 明

(1.北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院， 北京 100044; 2.上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所， 上海 200240)

0 引言

氣泡霧化噴嘴是一種氣液在內(nèi)部混合的兩相流噴嘴。通過噴嘴內(nèi)外壓差使氣泡在流出噴孔前后經(jīng)歷加速、變形、膨脹等過程，對液體射流產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而加速液體射流的破碎霧化。

氣泡霧化噴嘴能夠在低壓下實(shí)現(xiàn)較好的霧化效果，且霧化效果對液體粘性不敏感，使得氣泡霧化噴嘴能夠很好適應(yīng)不同液體霧化的要求[1-2]。目前，氣泡霧化噴嘴已嘗試應(yīng)用在汽輪機(jī)、焚燒爐、噴涂、制藥、內(nèi)燃機(jī)、滅火等領(lǐng)域[2-4]。雖然氣泡霧化噴霧方式尚處于研究階段，但從目前的研究結(jié)果來看，氣泡霧化噴霧具有良好的工程應(yīng)用前景。

針對氣泡霧化噴霧特性，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過大量試驗(yàn)和仿真，取得了許多成果[3-16]。大量研究表明，與傳統(tǒng)壓力式噴嘴相比，氣泡霧化噴嘴噴霧特性影響因素眾多，且體現(xiàn)了許多新特點(diǎn)；噴霧形態(tài)、噴霧錐角、霧滴粒徑、霧滴速度分布等重要噴霧特征參數(shù)的影響因素復(fù)雜，規(guī)律還不是很清晰，甚至不同研究得出相反的結(jié)論。

本文擬采用試驗(yàn)和仿真方法，研究一特定可視化氣泡霧化噴嘴的泡狀流噴霧特征。通過可視化方法，開展噴霧形態(tài)特征及形態(tài)特征參數(shù)隨噴嘴運(yùn)行參數(shù)-液相質(zhì)量流量及氣液質(zhì)量比變化的試驗(yàn)研究；通過仿真方法，開展基于噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)的噴霧場中液束形態(tài)、液滴速度以及液滴尺度分布特征的研究。以期進(jìn)一步深化對氣泡霧化噴嘴噴霧特征的認(rèn)識(shí)，為氣泡霧化噴射技術(shù)研究與應(yīng)用提供一定的理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及仿真模型

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

氣泡霧化噴射試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖見圖1。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣泡霧化噴嘴、空氣泵、液體泵、氣體和液體流量計(jì)、高速攝像機(jī)等部分組成。

圖1 氣泡霧化噴射試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Experimental setup1.空氣泵 2、12.壓力調(diào)節(jié)閥 3.氣體流量計(jì) 4、14.單向閥 5.氣泡霧化噴嘴 6.高速攝像機(jī) 7.液體收集器 8.液體泵 9.線性PCM錄音器 10.LED綠光源 11.勻光板 13.液體流量計(jì)

圖2 氣泡霧化噴嘴剖視圖及實(shí)物圖Fig.2 Structure and composition diagrams of effervescent atomizer1.噴孔出口 2.下游區(qū)混合室 3.上游區(qū)混合室 4.充氣孔 5.液相入口 6.氣相入口

1.2 仿真模型

噴霧場中的氣液流動(dòng)行為及液滴時(shí)空分布是噴嘴內(nèi)部氣液流型和外部氣液流動(dòng)共同作用的結(jié)果。本文借助ANSYS Fluent 14.0對噴嘴內(nèi)部泡狀流型時(shí)噴霧場中液滴分布特征進(jìn)行研究。

1.2.1噴嘴內(nèi)部氣液流動(dòng)模型

采用構(gòu)造相界面的PLIC(Piecewise linear interface construction)方法和相界面追蹤的VOF(Void of fraction)方法對噴嘴內(nèi)氣液相界面重構(gòu)和追蹤，結(jié)合連續(xù)表面張力模型并聯(lián)合連續(xù)性方程和動(dòng)量方程對噴嘴內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行描述[17]。

連續(xù)性方程為

(1)

基于CSF連續(xù)表面張力模型的動(dòng)量方程為

(2)

式中ρ——密度，kg/m3

μ——粘度，Pa·s

u——速度，m/s

p——壓力，Pa

S——界面變形張量，m-1

g——重力加速度，m/s2

σs——表面張力系數(shù)，N/m

ks——兩相界面曲率

n——垂直于相界面的體積分?jǐn)?shù)梯度向量

式(2)中，等號(hào)右邊最后一項(xiàng)為表面張力項(xiàng)，采用連續(xù)表面張力模型[18]計(jì)算；密度和粘度為加權(quán)物性參數(shù)，其值取決于氣液兩相的體積分?jǐn)?shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對湍流流動(dòng)進(jìn)行描述。

1.2.2噴霧場中氣液流動(dòng)模型

氣泡霧化噴霧仿真模型包括控制方程以及定解條件；其中，控制方程包括氣相控制方程、液滴運(yùn)動(dòng)方程、液滴破碎和碰撞控制方程等。

將噴霧場中氣相作連續(xù)相處理，用Eulerian描述；將液滴作離散相處理，用Lagrangian法描述。氣液兩相滿足各自獨(dú)立控制方程，同時(shí)考慮氣液兩相耦合；液滴破碎、膨脹等過程滿足相應(yīng)控制方程。

將氣相作為連續(xù)相處理，其控制方程與式(1)和式(2)基本相同，主要區(qū)別在于動(dòng)量方程中加入了液滴對氣相的作用力源項(xiàng)F，即

(3)

采用顆粒軌道模型對噴霧場中的液滴運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，計(jì)算式為[19]

(4)

(5)

(6)

式中upi、ugi——液滴和氣相速度，m/s

FD——曳力動(dòng)量交換系數(shù)

ρp、ρg——液滴和氣相密度

Fi——其他單位質(zhì)量作用力，N

dp——液滴直徑CD——曳力系數(shù)

Re——相對雷諾數(shù)

曳力系數(shù)考慮了在液滴運(yùn)動(dòng)時(shí)形態(tài)變化，其表達(dá)式為[20]

CD=CD,sphere(1+2.632yp)

(7)

(8)

式中yp——液滴畸變系數(shù)

CD,sphere——球形液滴曳力系數(shù)[20]

除了可通過上述方程預(yù)測液滴時(shí)均速度外，還需考慮氣相脈動(dòng)對液滴運(yùn)動(dòng)的影響。液滴脈動(dòng)速度可通過離散隨機(jī)游走模型進(jìn)行確定[21]。

由于研究對象的Weber數(shù)較大，因此選擇Wave破碎模型[22]對液滴二次破碎進(jìn)行描述。該模型認(rèn)為由Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性支配液滴的破碎時(shí)間和破碎后的粒徑。

液滴碰撞率通過引入O’Rourke的碰撞體積概念進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)只有兩個(gè)液滴在同一個(gè)計(jì)算網(wǎng)格時(shí)才會(huì)發(fā)生碰撞，則碰撞率可表示為[23]

(9)

式中r1、r2——大、小液滴半徑

vrel——液滴相對速度

Δt——計(jì)算時(shí)間步長

Vc——計(jì)算網(wǎng)格體積

根據(jù)噴嘴內(nèi)部流場計(jì)算可得到噴霧場計(jì)算的入口邊界條件，可避免一般計(jì)算時(shí)入口邊界人為設(shè)定而帶來的弊端。

1.2.3模型驗(yàn)證

圖3 充氣孔處氣泡脫離前后氣泡形態(tài)的比較Fig.3 Comparison of bubble shape

利用噴嘴內(nèi)部氣液流動(dòng)模型對噴嘴混合室充氣孔處氣泡脫離前后的形態(tài)以及氣泡流經(jīng)噴孔時(shí)的形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，并與本文試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[20]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3、4所示。

圖4 氣泡流經(jīng)噴孔時(shí)氣泡形態(tài)的比較Fig.4 Comparison of numerical and experimental results

從圖3、4可以看出，建立的噴嘴內(nèi)部氣液流動(dòng)模型能夠較好地仿真氣泡霧化噴嘴混合室及噴孔內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)。

利用噴霧場中氣液流動(dòng)模型對噴霧場中的液滴直徑進(jìn)行計(jì)算，并與文獻(xiàn)[24-25]中給出的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 噴霧場中液滴索特平均直徑的比較Fig.5 Comparison of simulation result with literature results

由圖5可見，所建噴霧場氣液流動(dòng)模型能較好預(yù)測噴霧場中液滴直徑的分布情況。

2 氣泡霧化噴嘴泡狀流噴霧特征試驗(yàn)

根據(jù)可視化試驗(yàn)觀測結(jié)果，氣泡霧化噴嘴內(nèi)氣液兩相流型有泡狀流、攪拌流和段塞流；在噴嘴結(jié)構(gòu)一定下主要取決于氣液流動(dòng)參數(shù)。

一般情況下，相比于段塞流和攪拌流來說，泡狀流時(shí)氣液混合較為均勻、噴霧形態(tài)連續(xù)性較好、不穩(wěn)定噴霧現(xiàn)象相對較弱、霧化效果較好；因此，本文將在噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)的氣液流動(dòng)參數(shù)變化范圍內(nèi)，進(jìn)行特定氣泡霧化噴嘴噴霧特征研究。

噴霧形態(tài)會(huì)受到氣相膨脹的擾動(dòng)作用。圖6為噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)的噴霧形態(tài)。

從圖6可以看到，受氣相膨脹擾動(dòng)作用的影響，噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)噴霧形態(tài)在空間上表現(xiàn)出一定的非連續(xù)性，有可能在噴霧表面出現(xiàn)明顯的“氣相膨脹凸起”現(xiàn)象。氣相膨脹凸起是由氣相急劇膨脹擾動(dòng)引起的噴霧表面呈現(xiàn)的局部形態(tài)劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象，是氣泡霧化噴霧重要的形態(tài)特征。

圖6 不同條件時(shí)氣相膨脹擾動(dòng)作用下的噴霧形態(tài)Fig.6 Spray forms disturbed by gas expansion

圖6結(jié)果顯示，噴嘴內(nèi)為泡狀流時(shí)，受噴嘴運(yùn)行工況影響，噴霧中氣相膨脹凸起的形態(tài)隨噴嘴內(nèi)氣泡尺寸和數(shù)量密度的不同會(huì)發(fā)生明顯的變化；在氣泡數(shù)量密度達(dá)到一定程度后，氣相膨脹凸起消失。

為表征氣相膨脹對噴霧形態(tài)的影響，定義“氣相膨脹凸起寬度”和“氣相膨脹凸起間距”兩個(gè)氣相膨脹凸起形態(tài)特征參數(shù)。氣相膨脹凸起寬度定義為多個(gè)氣相膨脹凸起的平均寬度；氣相膨脹凸起間距定義為相鄰兩個(gè)氣相膨脹凸起中心間的平均距離。

圖7 不同氣液質(zhì)量流量時(shí)的噴霧形態(tài)Fig.7 Spray forms under various operating conditions

從圖7可以看到，隨著液相質(zhì)量流量和氣液質(zhì)量比的增加，噴霧半錐角增大；在氣相膨脹凸起寬度增大的同時(shí)，氣相膨脹凸起間的界限逐漸模糊甚至消失，不穩(wěn)定噴霧現(xiàn)象減弱。

圖8為不同液相質(zhì)量流量下噴霧平均半錐角和噴霧平均貫穿距隨氣液質(zhì)量比的變化曲線。

圖8 噴霧平均半錐角和平均貫穿距隨氣液質(zhì)量比的變化曲線Fig.8 Variation of spray parameters with operating conditions

從圖8可以看到，在相同氣液質(zhì)量比下，液相質(zhì)量流量越大，噴霧平均半錐角越大；但較高液相質(zhì)量流量時(shí)，液相質(zhì)量流量對噴霧平均半錐角的影響變?nèi)酢婌F平均貫穿距只在較低氣液質(zhì)量比時(shí)隨液相質(zhì)量流量的增加而增大，在較高氣液質(zhì)量比時(shí)則隨液相質(zhì)量流量增加而減小。

從圖8還可見，低氣液質(zhì)量比時(shí)，噴霧形態(tài)受氣液質(zhì)量比的影響較明顯，噴霧平均半錐角和平均貫穿距隨氣液質(zhì)量比增加而快速增大；高氣液質(zhì)量比時(shí)，噴霧形態(tài)參數(shù)對氣液質(zhì)量比的敏感性減弱。隨氣液質(zhì)量比增加，噴霧平均半錐角緩慢增大，噴霧平均貫穿距增加緩慢減小。在較低氣液質(zhì)量比時(shí)噴霧平均半錐角就可達(dá)較高水平。

圖9為不同液相質(zhì)量流量下噴霧氣相膨脹凸起寬度和氣相膨脹凸起間距隨氣液質(zhì)量比的變化曲線。

從圖9可以看到，氣相膨脹凸起寬度隨液相質(zhì)量流量和氣液質(zhì)量比的增加而增大；氣相膨脹凸起間距隨氣液質(zhì)量比的增加而減小，而受液相質(zhì)量流量的影響相對較小。

圖9 氣相膨脹凸起形態(tài)參數(shù)隨氣液質(zhì)量比的變化曲線Fig.9 Variation of gas expansion convex structure parameters with operating conditions

氣相膨脹凸起寬度隨氣液質(zhì)量比增加而增大，氣相膨脹凸起間距隨氣液質(zhì)量比增加而減小，反映了氣相膨脹對噴霧的擾動(dòng)作用隨噴霧中氣相的增加而增強(qiáng)；而氣相膨脹凸起寬度隨液相質(zhì)量流量增加而增大則反映了噴嘴內(nèi)壓力的升高進(jìn)一步促進(jìn)了噴霧中氣相的膨脹。

表征氣泡霧化噴霧形態(tài)特征的參數(shù)——噴霧半錐角與噴霧氣相膨脹凸起寬度之間應(yīng)該存在一定的關(guān)系。圖10、11進(jìn)一步給出了氣相膨脹凸起形態(tài)參數(shù)與噴霧平均半錐角的關(guān)系。

由圖10、11可知，噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)噴霧平均半錐角與氣相膨脹凸起寬度間呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 不同噴霧半錐角時(shí)的噴霧形態(tài)Fig.10 Spray morphologies of different spray half cone angles

圖11 氣相膨脹凸起寬度與噴霧平均半錐角關(guān)系Fig.11 Relationship between gas expansion convex width and spray half cone angle

3 氣泡霧化噴嘴泡狀流噴霧特征仿真

圖12 泡狀流時(shí)噴孔出口處氣相質(zhì)量流量的脈動(dòng)Fig.12 Variation of fluid parameters at nozzle exit

由圖12可見，泡狀流時(shí)噴孔出口截面處的氣相質(zhì)量流量隨時(shí)間呈波段變化，且在每個(gè)波段中氣相流量呈振蕩衰減變化，流動(dòng)參數(shù)脈動(dòng)劇烈，這必然對噴霧及霧化液滴產(chǎn)生影響。已有氣泡霧化噴霧仿真研究通常將噴孔出口截面處的氣液兩相流動(dòng)簡單處理為定常流動(dòng)，而忽視了噴嘴出口處的氣液流動(dòng)脈動(dòng)對噴霧場中噴霧及液滴運(yùn)動(dòng)的影響。

圖13 泡狀流時(shí)不同時(shí)刻噴孔附近噴霧液束形態(tài)Fig.13 Spray patterns of bubbly flow nearby nozzle exit

從圖13可以看到，噴霧液束中出現(xiàn)的凸起結(jié)構(gòu)隨時(shí)間逐漸向噴霧場下游移動(dòng)，并在移動(dòng)過程中逐漸增大。因噴孔處氣相質(zhì)量流量隨時(shí)間呈振蕩衰減變化；噴霧液束內(nèi)的液滴在空間上的數(shù)量密度存在差異，從而造成液滴在局部區(qū)域出現(xiàn)集聚并形成凸起結(jié)構(gòu)。隨著噴霧發(fā)展，凸起結(jié)構(gòu)內(nèi)集聚的液滴向周圍擴(kuò)散，凸起結(jié)構(gòu)逐漸增大。經(jīng)一定時(shí)間后，噴孔附近的噴霧液束中又會(huì)出現(xiàn)新的凸起結(jié)構(gòu)(圖13只給出了一個(gè)周期內(nèi)的變化情況)。

液滴碰撞率可反映液滴數(shù)量密度的分布情況，圖14為泡狀流時(shí)液滴碰撞率沿噴霧軸向的變化。

圖14 泡狀流時(shí)噴霧場中液滴碰撞率的軸向分布Fig.14 Aixs distribution of droplet collision rates bubbly flow

圖15 泡狀流時(shí)噴霧場中液滴速度沿軸向距離的變化Fig.15 Aixs distribution of droplet velocities under bubbly flow

由圖14可見，噴霧液束逐漸向外發(fā)展，液滴由噴霧中心軸線附近向外擴(kuò)散，液滴碰撞率亦即液滴數(shù)量密度隨軸向距離增加而減小，并趨于穩(wěn)定。噴孔出口截面處氣相流量的大幅脈動(dòng)會(huì)引起附近液滴出現(xiàn)局部集聚現(xiàn)象，液滴數(shù)量密度較大，液滴碰撞率較高，液滴間的動(dòng)量和質(zhì)量交換劇烈。

噴霧場中的液滴速度分布可反映噴霧場中液滴的空間運(yùn)動(dòng)情況。圖15為液滴速度沿噴霧軸線的分布；由于泡狀流噴霧時(shí)速度脈動(dòng)較大，給出了兩個(gè)不同時(shí)刻噴霧場軸線上的速度分布。結(jié)果表明，噴孔出口截面氣液流量脈動(dòng)對噴孔出口附近液滴軸向速度的影響非常顯著，但這種影響只限于很短的軸向距離內(nèi)，超過噴孔出口10 mm后，氣液流量脈動(dòng)對液滴速度的影響基本消失。

噴霧液滴直徑分布是表征氣泡霧化噴嘴噴霧效果的重要參數(shù)。圖16為噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)噴霧不同軸向位置處液滴直徑分布的情況。可見，因在噴霧中存在液滴碰撞、凝并、二次破碎等過程，隨著與噴孔出口軸向距離的增加，液滴直徑分布范圍逐漸變寬、液滴峰值數(shù)量逐漸減少，液滴峰值直徑和液滴直徑整體分布逐漸向大直徑方向移動(dòng)。

圖16 泡狀流時(shí)不同噴霧軸向位置處液滴直徑分布Fig.16 Droplet diameter distribution of bubbly flow at various axial distances

圖17 泡狀流液滴平均直徑及其標(biāo)準(zhǔn)差沿軸向距離的變化Fig.17 Variation of droplet size distribution under bubbly flow

圖17為噴霧液滴平均(算術(shù)平均)直徑及其標(biāo)準(zhǔn)差沿噴霧軸向距離的變化。可以看到，對于本文所研究的氣泡霧化噴嘴來說，隨著距噴孔出口軸向距離的增加，噴霧液滴平均直徑呈先增大后逐漸趨于平穩(wěn)的變化，而噴霧液滴直徑標(biāo)準(zhǔn)差則呈現(xiàn)先增大后略有降低然后又逐漸增大的變化。

圖18為噴嘴內(nèi)泡狀流時(shí)噴霧不同軸向位置處液滴平均(算術(shù)平均)直徑沿徑向的分布。

從圖18可以看到，沿噴霧徑向方向可將空間區(qū)域分成大尺度液滴區(qū)和小尺度液滴區(qū)。由于液滴擴(kuò)散、碰撞、凝并、二次破碎等作用，隨著與噴孔出口軸向距離的增加，大尺度液滴區(qū)內(nèi)的液滴直徑逐漸增大，大尺度液滴區(qū)的徑向范圍略有增加。

圖18 泡狀流時(shí)不同軸向位置處液滴直徑的徑向分布Fig.18 Radial distribution of droplet size of bubbly

4 結(jié)論

(1)建立了氣泡霧化噴射可視化試驗(yàn)系統(tǒng)以及噴嘴內(nèi)部氣液流動(dòng)仿真模型和噴霧場中氣液流動(dòng)仿真模型；仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，所建模型能夠較好仿真氣泡霧化噴嘴混合室及噴孔內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)以及噴霧場中液滴粒徑的分布。

(2)噴霧形態(tài)表現(xiàn)出一定非連續(xù)性，在噴霧表面存在氣相膨脹凸起現(xiàn)象；隨著液相質(zhì)量流量和氣液質(zhì)量比增加，氣相膨脹凸起寬度增大，凸起間界限逐漸模糊甚至消失；氣相膨脹凸起寬度隨液相質(zhì)量流量和氣液質(zhì)量比增加而增大；凸起間距隨氣液質(zhì)量比增加而減小，受液相質(zhì)量流量影響較小。

(3)在相同氣液質(zhì)量比下，噴霧錐角隨液相質(zhì)量流量增加而增大；較高液相質(zhì)量流量時(shí)液相質(zhì)量流量對噴霧錐角影響變?nèi)酰粐婌F貫穿距在較低氣液質(zhì)量比時(shí)，隨液相質(zhì)量流量增加而增大，在較高氣液質(zhì)量比時(shí)，隨液相質(zhì)量流量增加而減小。低氣液質(zhì)量比時(shí)，噴霧形態(tài)受氣液質(zhì)量比影響明顯，噴霧錐角和貫穿距隨氣液質(zhì)量比增加而增大；高氣液質(zhì)量比時(shí)，噴霧形態(tài)參數(shù)對氣液質(zhì)量比的敏感性減弱。噴霧錐角與氣相膨脹凸起寬度呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)隨著與噴孔出口軸向距離的增加，液滴碰撞率隨噴霧軸向距離增加而減小，液滴直徑分布范圍變寬、液滴峰值數(shù)量減少，液滴峰值直徑和液滴直徑分布向大直徑方向移動(dòng)，噴霧液滴直徑呈先增大后趨于平穩(wěn)，噴霧液滴直徑標(biāo)準(zhǔn)差呈先增大后略有降低然后又逐漸增大的變化。

(5)沿噴霧徑向方向可將空間區(qū)域分成大尺度液滴區(qū)和小尺度液滴區(qū)；隨著與噴孔出口軸向距離的增加，大尺度液滴區(qū)內(nèi)的液滴直徑增大，大尺度液滴區(qū)的徑向范圍略增加。