一種造雪機核子器噴嘴的噴霧性能的仿真分析

楊玉昆，王加國，施法，白鵬程，王莎莎，董子昂，金向陽,3

（1.哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱150028；2.黑龍江省乾升冰雪設備制造有限公司，哈爾濱150028；3.虛擬制造技術福建省高校重點實驗室，福建 泉州362000）

0 引言

噴霧在生產生活中廣泛應用，幾乎覆蓋了所有領域。例如液體火箭發動機推力室內的燃料霧化性能的好壞決定了發動機性能的高低[1]；農業生產中的農藥的合理霧化有助于提高農藥的利用率，降低成本[2]；噴霧濕式降塵方法在煤礦降塵工作中得到廣泛應用，有效降低了礦井的危險指數，保障了生產安全[3]。另外，噴霧消毒防疫在此次疫情中扮演了重要的角色，公共場合的噴霧消毒，在控制疫情的發展中具有重要的價值和意義[4]。噴嘴是實現霧化的一種重要工具，研究噴嘴的噴霧機理和霧化性能，對合理利用噴嘴具有重要的參考價值和意義。本文所研究的噴嘴利用在造雪機上，用于霧化產生細小的液滴，在冰冷的環境下，細小的液滴通過附著空氣中的灰塵顆粒等成為晶核，通過不斷吸附空氣中的液滴生長成為冰晶，再生長成為雪花[5]。

本文針對該噴嘴，利用仿真計算的方法對其噴霧過程進行了數值模擬，分析了該噴嘴的噴霧機理和霧化性能，為造雪機核子器噴嘴的選型提供參考和幫助。

1 仿真模型的建立及網格的劃分

該噴嘴的實物及拆分后的結構如圖1所示，利用三維建模軟件SolidWorks對該噴嘴進行比例為1∶1的三維建模，獲得的三維圖形如圖2所示，利用SolidWorks中的“插入—特征—組合”命令獲得噴嘴內的流域如圖3所示，在該流域的基礎上增加噴嘴外的外部流場，最后得到仿真所需的整體流域如圖4所示。

圖1 噴嘴實物及拆分展示圖

圖2 噴嘴的三維模型

圖3 噴嘴內部流域

圖4 仿真計算整體流域

再分別用ANSYS Workbench 軟件中的ICEM.CFD網格劃分模塊、Fluent計算模塊及CFD-POST后處理模塊對該模型進行仿真計算和分析，仿真流程圖如圖5所示。

圖5 仿真計算流程圖

因噴嘴內結構復雜，為節省前處理時間，采用非結構網格劃分的方法，劃分采用四面體結構。最終劃分生成的網格如圖6所示。為使網格精度達到計算要求，對結構尺寸較小的位置進行了局部細化處理，細化處理部分如圖7所示。生成的網格質量較高，如圖8所示，沒有負網格，質量均在0.72以上，滿足計算要求。

圖6 流域的網格劃分

圖7 局部網格細化處理

圖8 網格質量報告圖

2 控制方程及邊界條件的設置

仿真過程中氣體和液體兩種介質的運動由連續性方程和動量方程控制[6]，湍流模型由k-ε雙方程[7]控制。

本文采用壓力基隱式求解器進行求解。采用VOF多相流模型，湍流模型選用k-ε雙方程模型。入口條件采用pressure-inlet，入口壓力為8 MPa，入口中液相所占的比例阿偉0.95。出口條件選用outflow，表壓為0 MPa，其他的壁面條件都設定為固壁條件。收斂精度設置為10×10-5，為保證計算收斂，將迭代次數設置為1000步。進行仿真計算，仿真計算的迭代收斂結果如圖9所示。

圖9 迭代收斂圖

3 模擬結果及分析

噴嘴噴射霧化時整個流場內的速度矢量如圖10所示，由圖10可以看出,液體在噴霧場近場的分布較少，大部分分布在噴霧場的中后段，此時的液體經過霧化充分分散開。噴嘴部分的速度矢量圖如圖11所示，由圖11中可以看出，液體在經過狹窄通道時，速度迅速增加，由噴嘴出口噴出時速度再次得到迅速增加。

圖10 速度矢量分布

圖11 噴嘴處速度矢量圖

噴嘴的速度體繪圖如圖12所示。由圖12可以觀測出，在噴霧場的后半段，速度的徑向分布范圍變大。噴霧場內的中軸線上的速度變化如圖13所示。由圖13可以觀察出液體的出口速度為170 m/s，約為實際工況下液體的入口速度的10倍，液體由噴嘴出口噴出后速度急劇減小，在距離出口0.2 m處速度趨于平穩，并在距離出口0.4 m處減小為0 m/s。

圖12 速度體繪圖

圖13 速度變化圖

噴霧場中的液相分布云圖分如圖14所示。由圖14可以觀察到，霧化過程達到穩態時，噴霧場中的液相的體積分數集中在0.9502～0.9508之間。且分布比較均勻。而相比于噴霧近場，噴霧遠場中的液相的體積分數更高一些。另外，可以觀察到噴霧場中軸線附近的液相體積分數較低，由此可見，該噴嘴噴射霧化時，噴霧錐角為空心錐角或半空心錐角。

圖14 液相分布云圖

4 結論

為充分了解一種噴嘴的噴霧性能和霧化機理，對該噴嘴進行了三維建模，并根據實際工作條件進行了數值模擬仿真。對該噴嘴的噴射速度、噴霧場中的液相的分布等信息進行了分析和直觀了解。

1）液體經過該噴嘴的加速后，出口處的液體速度被增加到了170 m/s,加速效果明顯。

2）相比于在噴霧場的前半段，液體經充分霧化后在噴霧場的后半段分布更為分散。