噴嘴組在變壓力工況下霧化特性數(shù)值模擬

吳正人，周鑫宇，張亞萌

噴嘴組在變壓力工況下霧化特性數(shù)值模擬

吳正人，周鑫宇，張亞萌

（華北電力大學(xué) 動力工程系，河北 保定 071003）

為了研究在不同噴霧壓力下噴嘴組的霧化特性，采用GAMBIT軟件進行建模，并利用FLUENT軟件分別模擬了在不同噴霧壓力下（1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa）噴嘴組的霧化情況。結(jié)果表明，在其他條件均不改變的情況下，隨著噴霧壓力變大，液滴的索特平均直徑（）變小，液滴的速度變大，且液滴大小分布整體向小的方向偏移，液滴速度分布最密集的區(qū)間向速度更大的方向偏移；液滴的在噴嘴附近迅速增大，隨著液滴遠離噴嘴，的大小趨于平穩(wěn)；不同噴霧壓力下的3個霧化場分別在其各個噴嘴的中心處液滴速度達到最大，其次是干涉區(qū)的液滴速度較大。

噴霧冷卻；霧化特性；噴嘴組；壓力；數(shù)值模擬

0 引言

噴嘴霧化是指當(dāng)液體在高壓的作用下,通過高速噴射出噴嘴進入到靜止或低速氣流中，得到霧化的效果。噴霧冷卻通過高壓將工質(zhì)霧化成細小液滴噴射到熱沉表面。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，噴霧冷卻的換熱能力更強，具有良好的應(yīng)用前景[1]。噴霧冷卻具有可以控制冷卻終點溫度、被冷卻表面溫度均勻、較小的工質(zhì)需求量、臨界熱流密度高、冷卻時間短、與固體表面沒有接觸熱阻等諸多的優(yōu)點[2]。噴霧冷卻的效果很大程度上取決于噴嘴的霧化特性，而噴霧壓力是決定霧化特性的重要因素之一，故研究噴霧壓力對噴嘴霧化特性的影響具有重要的現(xiàn)實意義[3]。

圍繞噴嘴霧化問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了多方面的研究。文獻[4]針對噴嘴霧化空間的液滴分布進行了深入的研究，分別對噴嘴霧化的軸向和徑向霧化空間的液滴分布狀況進行了理論建模與分析，提出了基于霧化空間霧化液滴測量的霧化均勻性判據(jù)。文獻[5]通過CF數(shù)值模擬，研究了氣液相對速度、霧化錐角及液體表面張力對液滴D32的影響。文獻[6]采用噴嘴破碎模型對不同噴嘴進行了模擬。文獻[7]基于CFD研究了噴嘴內(nèi)壁微振蕩結(jié)構(gòu)對噴嘴出口速度的影響。文獻[8]研究了噴嘴在不同氣液比下，霧化粒徑、霧化角度及霧化覆蓋直徑的變化規(guī)律。文獻[9]采用數(shù)值模擬方法研究了兩相噴嘴的噴霧特性及氣體入射角度、噴嘴水平間距對噴霧特性的影響。文獻[10]采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對旋流霧化噴嘴內(nèi)部氣液兩相流動特性進行研究，揭示了旋流霧化噴嘴內(nèi)部流動機理，有效預(yù)測了霧化特性。文獻[11]為研究旋芯霧化噴嘴的噴放特性，通過建模仿真了單孔旋芯霧化噴嘴內(nèi)流場及外流場，研究分析了內(nèi)流場的霧化機理及外流場的霧滴分布特性，并結(jié)合實際噴放驗證了仿真的準確性。文獻[12]針對壓力旋流噴嘴進行模擬仿真以研究霧化壓力對霧化效果的影響，得到了在壓力旋流噴嘴的霧化場中，隨著噴霧壓力的增加，霧滴軸向速度、徑向速度的變化情況。

目前，噴嘴霧化的研究成果在許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如：對于三噴嘴蒸汽噴射器振動分析，三噴嘴干煤粉氣化爐點火燒嘴的優(yōu)化與改進；多噴嘴油氣潤滑滑動軸承的研究等。

當(dāng)前研究的噴嘴霧化大多基于單個噴嘴，對多個噴嘴的霧化特性研究還不夠豐富，本文基于3個噴嘴分別模擬了不同的壓力下噴嘴組霧化（液滴濃度、直徑、速度、三噴嘴干涉區(qū)）的情況。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型、網(wǎng)格劃分

本文模型模擬的空心錐壓力旋流噴嘴霧化錐角為60°、孔徑為0.38 mm。

數(shù)值模擬選取如圖1所示的計算區(qū)域。對于三噴嘴采用長方體計算區(qū)域，使用Gambit軟件對計算區(qū)域進行建模：對于三噴嘴的模擬，長方體的計算區(qū)域長寬高分別為25 mm×25 mm×10 mm，3個噴嘴彼此之間的直線距離為6 mm，3個噴嘴連線組成等邊三角形的重心在計算域上表面中心處。

圖1 三噴嘴計算域

本文以液滴索特平均直徑為判據(jù)，對三噴嘴長方形計算域從3萬至50萬的網(wǎng)格數(shù)量進行驗證。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為40萬時，液滴的索特平均直徑隨網(wǎng)格數(shù)的變化十分微小。故最終三噴嘴長方體計算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)取40萬。

1.2 邊界條件及數(shù)值格式

本文采用FLUENT提供的壓力旋流噴嘴模型（pressure-swirl atomizer），噴霧張角60°。初始時刻，計算域中充滿靜止空氣。計算域底部為絕熱、無滑移壁面，四周邊界設(shè)為壓力出口，上表面設(shè)為壓力出口，且均采用逃逸邊界條件，壁面與環(huán)境溫度為25 ℃。在FLUENT提供的各種湍流模型中選取Realizable模型，使用耦合算法，動量與壓力采用二階迎風(fēng)格式。噴嘴開始噴霧后，組分包括水與空氣。考慮液滴的破碎聚合、氣液兩相之間的耦合，破碎模型使用泰勒類比破碎模型（TAB），激活動力搖曳模型并考慮重力影響，液滴軌跡使用隨機漫步模型。使用非穩(wěn)態(tài)計算，步長為10–5s。

當(dāng)液滴變化在5%以內(nèi)并且計算區(qū)域出口質(zhì)量的誤差小于1%時，即認為計算收斂。

1.3 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程：

式中：為流體動力粘度，Pa·s；為源項。

組分運輸方程：

當(dāng)液滴在空氣中運動時，常伴隨蒸發(fā)現(xiàn)象。使用組分運輸模型可以描述水蒸氣與空氣的變化。組分運輸方程如下：

液滴噴射過程中的動量運動方程：

顆粒軌跡方程：

2 模型可靠性驗證

若使模擬結(jié)果正確，首先要確定模型的可靠性。檢驗?zāi)Ｐ涂煽啃缘囊罁?jù)之一為液滴直徑。選取文獻[13]的實驗結(jié)果作為本文數(shù)值模型可靠性檢驗的依據(jù)。模擬條件如表1所示，與實驗條件相同。

表1 模擬中使用的實驗條件

模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比如圖2所示，直觀地表示了誤差變化范圍。

圖2 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

實驗結(jié)果與模擬結(jié)果有誤差的原因有兩方面：一是FLUENT不可能實現(xiàn)對現(xiàn)實條件的完全模擬，故對實際問題做了一定程度上的簡化；二是實驗環(huán)境條件不同與不可避免的測量誤差。由圖2和表1可得，模擬值與實驗值的誤差均在10%以內(nèi)，誤差較小且合理，說明本文的數(shù)值模型可靠。

3 三噴嘴模擬結(jié)果及討論

3.1 三噴嘴干涉

對三噴嘴霧化場進行數(shù)值模擬，計算區(qū)域如圖1所示，噴嘴呈等邊三角形布置。對噴霧壓力為1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa 3種工況進行模擬。

三噴嘴霧化效果如圖3所示。3個噴嘴的霧化場相互干擾使液滴之間更容易發(fā)生碰撞與聚合。因為噴嘴之間的直線距離為6 mm，霧化錐角為60°，經(jīng)計算得到大約在距計算域上表面5.2 mm處，三噴嘴的霧化場開始交匯并相互干涉。DPM濃度分布云圖如圖4所示。由圖4可知，因為霧化場相互干涉的影響，噴霧的整體分布不再均勻，干涉區(qū)的液滴濃度明顯升高，但干涉區(qū)液滴濃度隨著壓力的升高而降低。

圖3 三噴嘴霧化效果圖

圖4 距噴嘴5.2 mm處DPM濃度分布云圖

3.2 噴霧壓力對液滴直徑、速度的影響

對三噴嘴霧化場模擬得到各壓力下的液滴與速度變化規(guī)律，如圖5所示。隨噴霧壓力的增大，液滴減小、速度增大。噴霧壓力越大，氣體與噴嘴出口處液膜之間的相對速度也越大，液膜受到的剪切力更大，液膜變薄，最終液滴的速度變大。液滴速度增大，增大了霧化的能量，有利于液滴的破碎，使液滴能夠破碎成更小的顆粒，所以液滴減小。

圖5 壓力對三噴嘴液滴SMD與速度的影響

液滴直徑的分布如圖6所示。由圖6可見，在3種壓力下，液滴直徑的分布趨勢基本相同，大致表現(xiàn)為正態(tài)分布。隨著壓力增大，液滴直徑集中區(qū)間向更小的方向偏移。圖7為各壓力下液滴的速度分布圖，可以看出液滴的速度主要分布在1～2 m/s處，以壓力1.25 MPa條件下的模擬結(jié)果為例，速度在5 m/s以上的液滴數(shù)量較少，液滴速度大多集中在1～4 m/s。另外也可以從圖7中看出，噴霧壓力越大，液滴速度分布最密集的區(qū)間向速度更大的方向偏移。

圖6 各壓力下液滴直徑分布

圖7 各壓力下液滴速度分布

液滴在霧化場軸向分布如圖8所示。液滴在剛進入霧化場時其較小，隨后液滴的在噴嘴附近迅速增大。隨著液滴遠離噴嘴，的大小趨于平穩(wěn)。

圖8 液滴SMD軸向分布

圖9是距噴嘴8 mm處截面速度云圖，從圖中更能直觀地看出液滴速度隨噴霧壓力的增大而增大。3個霧化場各自的中心處液滴速度最大。相比其他區(qū)域，干涉區(qū)中空氣的卷吸作用弱，質(zhì)量小、速度大的液滴不容易被卷吸走；而且液滴相互碰撞、聚合變大，液滴受到重力影響大，所以干涉區(qū)的液滴速度也比較大。

圖9 距噴嘴8 mm處截面速度云圖

4 結(jié)論

本文研究了在不同噴霧壓力下（1 MPa、 1.25 MPa、1.5 MPa）三噴嘴組的霧化特性，得到了如下結(jié)論：

（1）噴霧壓力增大，液滴速度增大。噴霧壓力增大，液滴的減小。

（2）液滴在剛進入霧化場時其較小，但在噴嘴附近迅速增大，隨著液滴遠離噴嘴，的增長速度變緩趨于平穩(wěn)。

（3）不同噴霧壓力下的3個霧化場，分別在其各個噴嘴的中心處液滴速度達到最大，其次干涉區(qū)的液滴速度較大。

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Numerical Simulation of Atomization Characteristics of Nozzle Group under Variable Pressure Condition

WU Zhengren, ZHOU Xinyu, ZHANG Yameng

(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to study the atomization characteristics of nozzle group under different spray pressures, the software was modeled by GAMBIT, and the atomization of spray nozzles under different spray pressures (1 MPa, 1.25 MPa, 1.5 MPa) was simulated by FLUENT software.The results show that when the other conditions do not change, the spray pressure increases, the Sauter mean diameter () of droplet becomes smaller, the droplet velocity increases, and the droplet size distribution shifts to a smaller direction. The densest interval of droplet velocity distribution is more offset to the greater velocity. Theof droplet near the nozzle increases rapidly, and tends to be stable as the droplets are far away from the nozzle. The droplet velocity reaches the maximum at the center of each nozzle at the three atomizing fields under different spray pressures, followed by the larger droplet velocity in the interference zone.

spray cooling; atomization characteristics; nozzle group; pressure; numerical simulation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.009

TK05

A

1672-0792(2021)08-0067-06

2021-02-18

吳正人（1973—），男，副教授，主要研究方向為流體動力學(xué)理論及應(yīng)用；

周鑫宇（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為流體動力學(xué)理論及應(yīng)用；

張亞萌（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為流體動力學(xué)理論及應(yīng)用。