外混式噴嘴霧化特性計算機模擬及實驗驗證

王萍萍，沈 凱，張振東

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

噴霧是將液體通過噴嘴噴射到氣體介質中，使之分散并碎裂成小顆粒的過程［1-2］。由于液體相對于空氣或氣體的高速運動，液體會霧化成各種尺寸范圍的細小顆粒。空氣霧化噴嘴為噴嘴的一種，其在化工行業中的霧化降溫冷卻及粉末干燥脫硫等領域均有廣泛應用，并創造了顯著的社會效益與經濟效益［3］。空氣霧化噴嘴的特性很大程度上決定了噴霧錐角的幅度和液滴索特平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）的大小，而噴霧錐角和SMD 是霧化特性的重要指標，因此對空氣霧化噴嘴的研究有著重要意義。

國內外學者對空氣霧化噴嘴也進行了大量研究，并取得系列成果。文獻［4］采用Eulerian-Lagrangian 耦合模型，對內混式空氣霧化噴嘴性能進行了數值模擬，得出當氣液質量流量比為23%時，距離噴嘴出口20mm 處液滴基本被氣流束縛在扇形平面方向上±20mm 的范圍內，液滴濃度和速度分布呈“雙峰型”分布；文獻［5］研究了不同的幾何參數，如長徑比等對于壓力旋流霧化噴嘴的噴霧錐角以及SMD 的影響，在0.8MPa 和1.2MPa 的注射壓力下，噴霧錐角隨著長徑比的增加而不斷減小，但對于SMD 而言，長徑比的最佳值為3.75；文獻［6］通過實驗研究了廣角內混式空氣霧化噴嘴霧滴場的霧化特性，結果表明在宏觀霧化特性方面，供水壓力和供氣壓力變化分別對噴嘴的霧化角和射程占主導作用；在細觀霧化特性方面，沿軸線方向隨著距離增大霧滴粒徑不斷增大，沿徑向方向隨著距離噴嘴軸線增大霧滴粒徑不斷增大；文獻［7］研究內混式空氣霧化噴嘴的進氣孔個數、空氣帽出口直徑和混合腔長度等結構對霧化特性的影響，4 個進氣孔的霧化效果較兩個進氣孔有顯著提高；空氣帽出口直徑在2.0～3.0 mm 之間時，隨直徑增大，噴嘴霧滴粒徑不斷下降。直徑繼續增大時，霧滴粒徑反而稍有增大，霧滴數量也減少；噴嘴混合腔長度可以適當增加，使液相與氣相進行充分接觸以提高霧化效果。

目前，對于空氣霧化噴嘴的研究大多涉及內混式空氣霧化噴嘴［8-10］，而對外混式空氣霧化噴嘴工程應用領域的數值模擬研究相對較少。由于霧化理論并不完善，國內外學者更傾向于通過實驗方法進行研究，數值模擬方法仍需進一步發展。外混式空氣霧化噴嘴通過外部混合裝置改變氣體壓力而不改變液體流率來控制霧化，其霧幅形狀為扁平的扇形，有較大的噴霧錐角，使噴嘴可以掃過更大的面積［11］，有利于氣相和液相的充分混合，達到較好的霧化效果。鑒于此，有必要對外混式空氣霧化噴嘴進行研究，其不僅具有重要理論意義，還有較強現實意義。本文采用計算機模擬與實驗驗證相結合的方法，分析進氣壓力對外混式空氣霧化噴嘴噴霧錐角和液滴粒徑的影響，以及不同混合段的液滴粒徑變化規律，驗證了數值模擬方法對空氣霧化噴嘴進行研究的可行性，可為該類型噴嘴的研究與工程應用提供一定參考。

1 數值模擬

1.1 噴嘴幾何模型

本文研究的外混式空氣霧化噴嘴結構如圖1 所示。壓縮空氣經空氣流道從噴嘴噴出，與液體流道流出的液體在噴嘴附近處混合，通過高速氣流與液體間的相互作用完成霧化過程。

1.2 計算模型

粒子軌跡方程：

式中，u和up為氣體和液滴速度，ρ和ρp為氣體和液滴密度，FD(u-up)為液滴的單位質量曳力。

對于湍流模型，本文選擇Realizable k-ε模型，該模型適合的流動類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流（射流和混合層）、腔道流動和邊界層流動［12］。對以上流動過程模擬結果都比標準k-ε 模型的結果好，特別是Realizable k-ε 模型對圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴張，因而在噴霧的模擬計算中被廣泛應用。

Fig.1 Structure of air-blast atomizer圖1 空氣霧化噴嘴結構

關于k 和ε的運輸方程如下：

破碎模型選擇WAVE 模型，其在高韋伯數液體圓孔射流的破碎與霧化中適用性較好。

表征粒度的方法有算數平均法、質量平均法、體積平均法、表面積平均法等。使用最為廣泛的是索特平均直徑（SMD）［13-15］，其物理意義是液滴的面積對體積比值等于全部霧滴樣品的面積對體積的比值［16］。計算公式如下：

式中，Di為某一間隔的液滴代表尺寸，單位為微米；Ni為某一時間間隔的液滴代表尺寸數量。

1.3 網格劃分與邊界條件

1.3.1 網格劃分

為了滿足該型號空氣霧化噴嘴的霧化要求，建立300mm×300mm×250mm 的長方體流體域，如圖2 所示，并對噴嘴出口處的網格進行局部加密，共劃分1 815 113 個網格，繼續增大網格數量后對模擬結果影響較小。

Fig.2 Schematic diagram of fluid domain圖2 流體域示意圖

1.3.2 邊界條件

設置理想氣體（密度1.29 kg/m3，黏度1.789e-05kg/m-s）為連續項，液態水（密度998.2kg/m3，黏度1.003e-03kg/m-s，表面張力0.071 9N/m）為離散相。噴嘴氣體入口采用壓力入口（Pressure-inlet），入口壓力分別設置為0.05Mpa、0.1Mpa、0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa、0.35Mpa、0.4Mpa。正對著噴嘴的流體域壁面設置為壓力出口（Pressure-outlet），流體域四周設置為無滑移的壁面［17］。

1.4 計算結果與分析

采用Eulerian-Lagrange 耦合模型對空氣霧化噴嘴模型進行求解。在Eulerian 坐標系下，將氣體介質設置為連續項進行求解。當連續項收斂時，在Lagrange 坐標系下將液滴設置為離散相對噴霧過程進行求解。

圖3 是進氣壓力分別為0.1Mpa、0.2Mpa、0.3Mpa、0.4Mpa時空氣霧化噴嘴中心軸線上的氣流速度分布圖（彩圖掃OSID 碼可見，下同）。由于中心霧化孔為環狀孔，因此在中心軸線起始位置處沒有檢測到氣流速度存在。可以看出，在距噴嘴口約7.5mm 處開始檢測到氣流速度，此時的氣流僅為中心霧化孔噴出的氣流，速度會隨著距離的增加而有所衰減。在距離噴嘴口約10mm 處，中心霧化孔噴出的氣流與輔助霧化孔、扇面控制孔噴出的氣流匯合，氣流速度很快達到一個峰值，然后開始慢慢隨著距離衰減。隨著進氣壓力增大，噴嘴的中心軸線氣流速度也在增大，最大氣流速度可接近于音速。由于氣流速度較大，在噴嘴口附近會產生一定范圍的負壓區域，且進氣壓力越大，負壓的大小和負壓區域的范圍會增大。

圖4 展示了噴嘴不同混合段處液滴粒徑變化。可以看出，隨著距離噴嘴口處的軸向距離增大，液滴的SMD 呈現先減小后增大趨勢，這是因為液滴剛從噴嘴噴出時，液滴速度較大且分布較為密集，液滴與液滴之間會相互碰撞而產生二次破碎，使得液滴粒徑減小；而隨著軸向距離的增大，液滴的速度會隨之降低，并且液滴由于自身重力的作用與脈動，此時液滴相互碰撞后會產生聚合現象，使液滴粒徑增大。還可以看出，隨著進氣壓力的增大，液滴粒徑達到最小值所需要的距離縮短，因為壓力增大，出口處氣體與液滴之間的相互作用也更加強烈，更容易碰撞產生二次破碎。繼續增大進氣壓力后，變化趨勢逐漸減緩，是因為氣液的相互作用達到一個平衡穩定狀態，索特平均直徑逐漸達到接近一個極限值，液滴細化效果不會進一步改善。

Fig.3 Distribution of airspeed in central axis of air-blast atomizer圖3 空氣霧化噴嘴中心軸線氣流速度分布

Fig.4 Curves of SMD at different mixing sections圖4 不同混合段處液滴SMD 曲線

從圖5 中可以看出，當進氣壓力小于0.2Mpa 時，噴霧錐角隨著進氣壓力的增大呈近似線性增加，與上文對于液滴粒徑細化的分析一樣，進氣壓力的增大導致氣液相互作用增強，噴嘴的霧化效果越來越好，噴霧錐角也隨之增大。

當進氣壓力大于0.2Mpa 時，隨著進氣壓力的繼續增大，噴霧錐角的變化不再那么明顯，說明外混式空氣霧化噴嘴的噴霧錐角存在極限值。這是因為在外混式空氣霧化噴嘴的噴嘴結構中，中心霧化孔和扇面控制孔間存在一個固定夾角（本文噴嘴模型中心霧化孔和兩個扇面控制孔間的夾角分別為50°和70°，該夾角會隨空氣霧化噴嘴型號的不同而有所改變，這種布置可以增強氣流與液體之間的相互作用），因此液態水從噴嘴口噴出后的路徑主要有軸向和法向兩個方向，在進氣壓力相對較低時，法向方向的空氣速度相對較大，液態水會向法向方向擴展，因而噴霧錐角會越來越大。而進氣壓力增大主要增大軸向方向的空氣速度，當壓力繼續增大時，軸向方向的氣流對液態水的影響占主導地位，法向方向的氣流對液態水的影響減弱，因而噴霧錐角的變化不再明顯。

這點與內混式空氣霧化噴嘴有所不同［18］。內混式空氣霧化噴嘴的霧化空間有限，隨著進氣壓力增大，氣流速度增大，霧化時間縮短，空氣與液體未達到充分霧化便從噴嘴噴出，從而導致繼續增大進氣壓力時，霧化效果反而會變差。而外混型空氣霧化噴嘴有著充足的霧化空間，因此霧化過程不會受到限制。

Fig.5 Curve of spray cone angle圖5 噴霧錐角曲線

2 實驗驗證

2.1 實驗系統搭建

噴霧實驗的實驗系統由空氣霧化裝置、供氣系統、測量系統和液體回收裝置組成。實驗分為兩部分：第一部分為利用馬爾文激光粒度儀對噴霧液滴的SMD 進行測量統計［19］，實驗系統如圖6 所示；第二部分為利用高速攝影機記錄噴霧時的噴霧形態并測量噴霧錐角［20］，該部分實驗裝置僅在測量裝置與液體回收裝置上與第一部分實驗裝置有所不同，實驗系統如圖7 所示。

Fig.6 System diagram of SMD measurement experiment圖6 SMD 測量實驗系統

2.2 實驗結果及分析

通過調節高壓氣源的壓力調節閥，使氣壓分別穩定在0.05Mpa、0.1Mpa、0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa、0.35Mpa、0.4Mpa，因該噴嘴的最佳噴霧距離為170～220mm，用馬爾文激光粒度儀測量距離噴嘴出口處200mm處的液滴粒徑，并測量從噴嘴口部到最佳噴霧距離范圍內不同混合段的液滴粒徑，其后用高速攝影機拍攝記錄噴嘴處的噴霧狀態，并對測得的實驗數據進行處理后，得到如下實驗結果。

Fig.7 System diagram of spray cone angle measurement experiment圖7 噴霧錐角測量實驗系統

圖8 為馬爾文激光粒度儀數據分析軟件Data Analysis中得到的不同進氣壓力條件下噴霧距離為200mm 處的液滴粒徑分布圖，圖9 為不同進氣壓力下噴霧SMD 曲線圖。

Fig.8 Droplet size distribution at 200mm圖8 噴霧距離為200mm 處的液滴粒徑分布

Fig.9 Curve of SMD at 200mm圖9 噴霧距離為200mm 處的SMD 曲線

從圖8 和圖9 可以看出，液滴粒徑主要分布在10～100μm 之間，隨著進氣壓力增大，空氣與液態水之間的相互作用增強，液滴SMD 減小，繼續增大進氣壓力后，變化趨勢逐漸減緩。

通過與高速攝影機配套的圖像處理軟件，對不同進氣壓力條件下的噴霧形態圖像進行灰度處理與角度測量，得到不同進氣壓力條件下的噴霧錐角變化曲線，如圖10 所示。

Fig.10 Curve of spray cone angle圖10 噴霧錐角曲線

通過記錄噴涂時間與液體消耗量可以得到空氣霧化噴嘴不同進氣壓力條件下的液體流量，變化曲線如圖11 所示。

Fig.11 Curves of liquid flow圖11 流量曲線

由于氣流速度較大，噴嘴口處附近會產生一定范圍的負壓，隨著進氣壓力增大，氣流速度增大，負壓會增大，進出口處壓力差增大，使液體流量增大。由于中心噴孔面積一定，流量不可能無限增大。這解釋了仿真結果圖3 中噴嘴中心軸線的氣流速度分布情況。

3 結果對比分析

對不同進氣壓力條件下的噴霧形態進行角度測量與統計，將得到的數值模擬結果與實驗結果進行對比，得到如圖12、圖13 所示對比圖。

Fig.12 Comparison between numerical simulation results and experimental results of spray cone angle圖12 噴霧錐角的數值模擬結果與實驗結果對比

從圖12 中可以看出，噴霧錐角的數值模擬結果與實驗結果較為接近，變化規律與實驗結果中的分析吻合。由于數值模擬中各項條件均為理想條件，空氣為理想氣體，且忽略壁面的摩擦阻力，因此得到的霧化效果好于實驗得到的霧化效果。

在距離噴嘴不同軸向距離處建立一系列垂直于噴嘴中心軸線的平面，選取該系列平面對噴霧模擬中的液滴進行取樣統計，得到不同進氣壓力條件下不同混合段的液滴索特平均直徑，將數值模擬中得到的SMD 值與實驗數據中得到的SMD 值進行對比，得到如圖13 所示對比結果。

從圖13 中可以看出，數值模擬中得到的索特平均直徑變化規律與噴霧實驗結果中的分析較為吻合，但在壓力較低時，空氣霧化噴嘴的霧化效果較差，噴霧中存在較大的未破碎液滴，對SMD 的測量會產生較大影響，因而實驗結果與理想狀態下的數值模擬結果有一定差距。隨著壓力增大，霧化效果也有較大提升，實驗結果與數值模擬結果較為貼近。

4 結語

本文利用馬爾文激光粒度儀和高速攝影機，對外混式空氣霧化噴嘴在不同進氣壓力條件下的霧化特性進行了噴霧實驗研究，分析進氣壓力對噴霧錐角和液滴粒徑的影響，以及不同混合段的液滴粒徑變化規律。采用Eulerian-Lagrange 耦合模型對空氣霧化噴嘴進行了數值模擬研究，得出以下幾點規律：①進氣壓力大小對外混式空氣霧化噴嘴的霧化效果有較大影響；②隨著進氣壓力增大，空氣霧化噴嘴的霧化效果越來越好，噴霧液滴的SMD 逐漸減小，但繼續增大進氣壓力時，液滴細化效果接近極限值，SMD變化幅度不再明顯，并且隨著噴嘴口處軸向距離的增大，液滴粒徑呈先減小后增大趨勢，隨著進氣壓力增大，液滴粒徑達到最小值的距離減小；③當進氣壓力小于0.2Mpa、進氣壓力增大時，氣流場的中心軸線速度增大，空氣與液體之間的相互作用增強，霧化效果越來越充分，噴霧錐角近乎呈線性增大趨勢；當進氣壓力大于0.2Mpa 時，繼續增大進氣壓力，此時軸向方向的氣流速度占主導地位，法向方向的氣流影響減弱，噴霧錐角增大不再明顯；④隨著進氣壓力增大，液體流量也會逐漸增大，但增大趨勢逐漸減緩，由于中心噴孔面積有限，液體流量不可能無限增大；⑤數值模擬結果與噴霧實驗結果較為吻合，可以采用數值模擬模型對空氣霧化噴嘴的工程應用進行指導。

通過本文研究，有助于研究者對外混式霧化噴嘴霧化特性有更深入的認識。后期可進一步對外混式與內混式霧化噴嘴進行對比研究，探索進氣壓力不同時，不同混合方式霧化噴嘴噴霧錐角、液滴粒徑變化規律的差異性。