粘結(jié)劑噴嘴的設(shè)計與數(shù)值模擬*

黎 川

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動化系，廣東 肇慶 526000)

0 引 言

隨著世界新軍事革命的不斷發(fā)展，精確制導(dǎo)武器將成為未來的主要作戰(zhàn)武器，精確制導(dǎo)技術(shù)是決定其作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵因素之一[1]。光纖纏繞是光纖制導(dǎo)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，而在光纖纏繞過程中使用涂覆粘結(jié)劑或膠液以避免松動坍塌，保證制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)射后光纖能夠順利和均勻地釋放[1]。西安工業(yè)大學(xué)劉坤設(shè)計的光纖自動噴膠實驗平臺存在噴嘴堵塞問題，直接影響噴膠霧化效果[2]。針對此問題，筆者設(shè)計一個滿足膠液霧化的噴嘴，采用Fluent軟件模擬噴嘴霧化，以索太爾平均直徑(SMD)作為評價霧化效果的重要參數(shù)[3]，分析空氣壓力對液滴SMD的影響，為工程優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計

已知工況參數(shù)：膠液量為0.22×10-3g/s，膠液密度為832 kg/m3,膠液流速為0.1 m/s,膠液壓力為0.3 MPa，空氣量為0.22×10-3g/s，空氣流速為15 m/s。根據(jù)《噴嘴技術(shù)手冊》中各個尺寸的計算過程[4]，根據(jù)計算的尺寸，繪制噴嘴的二維圖和三維圖，如圖1(a)、(b)所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)

2 噴嘴的內(nèi)混室和噴射流場仿真與分析

2.1 物理模型

根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)形式建立噴嘴內(nèi)混室流場模型，而噴射流場建立底面直徑140 mm、高為400 mm的圓柱體模型。由于噴嘴的流體域是對稱的，文中在三維軟件UG中建立了內(nèi)外流場的三維模型的一半，在軟件ANSYS Meshing中對三維模型劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 噴嘴流場網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)流體動力學(xué)原理，由于文中忽略溫度對流場的影響，所以只需要考慮連續(xù)性方程與動量方程作為控制方程。為了能夠準(zhǔn)確地模擬噴嘴的霧化特性，氣相模型采用湍流模型和組分運輸模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，其湍動能方程和耗散率方程，即方程式(1)～(3)：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；μ為流體動力黏度，kg·(m·s)-1；σk、σε為湍動能的湍流普朗特數(shù)σk=1.0、σε=1.3；Gk為平均速度梯度引起的湍動能；Gb為浮力影響引起的湍動能；Ym為可壓湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；C1ε、C2ε、C3ε、Cμ為常量；Sk、Sε為由用戶自定義。

組分運輸模型，即方程式(4)：

(4)

式中：Yi為第i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ji為第i組分濃度梯度引起的擴(kuò)散通量；Ri為第i組分化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)率；Si為第i組分自定義源項。

液相模型采用離散相模型中的噴霧液滴破碎模型。在膠液射流霧化中，韋伯?dāng)?shù)大于100，選用wave波動破碎模型，即方程式(5)：

(5)

式中：a為霧化過程中的液滴半徑，m；A為離散過程中產(chǎn)生的波長，m；We為韋伯?dāng)?shù)；Ta為泰勒數(shù)；Oh為昂賽格數(shù)。

2.3 仿真結(jié)果

2.3.1 內(nèi)混室流場仿真結(jié)果與分析

圖3為不同壓力下噴嘴內(nèi)混室流場的液滴粒徑大小與噴射位置圖，可以看出液滴群集中在進(jìn)口處，之后開始擴(kuò)撒。對于在不同的空氣壓力下，采集模型不同截面處的粒徑信息，計算出內(nèi)流場的各截面的SMD，如圖4所示。從圖中可以看出，在不同空氣壓力下SMD變化趨勢均為下降。說明液滴在內(nèi)流場趨于破碎，液滴直徑變小。

圖3 不同壓力下噴嘴內(nèi)混室流場的液滴粒徑大小與噴射位置圖

圖4 內(nèi)混式噴嘴內(nèi)流場SMD變化

2.3.2 噴射流場仿真結(jié)果與分析

對于在不同的空氣壓力下，采集模型不同截面處的液體粒徑信息，計算出內(nèi)流場的各截面的SMD如圖5所示。

圖5 內(nèi)混式噴嘴噴射流場SMD變化

圖6為不同壓力下噴射流場液滴粒徑大小與噴射位置圖，霧化液滴散布比較均勻。從圖中可以看出，在不同空氣壓力下SMD變化趨勢均為先增加后不變，再減小后不變，說明液滴在噴射流場內(nèi)部趨于破碎，粒徑逐漸變小。

圖6 不同壓力下噴射流場液滴粒徑大小與噴射位置圖

3 結(jié) 論

(1) 分析了不同空氣壓力對SMD的影響，對噴嘴內(nèi)混室和噴射流場仿真模擬可以看出，在內(nèi)流場霧化過程，在不同空氣壓力下SMD變化趨勢均為下降。在噴射流場霧化過程，在不同空氣壓力下SMD變化趨勢均為先增加后不變，再減小后不變。

(2) 對噴嘴噴射流場的進(jìn)行霧化仿真，該噴嘴霧化粒徑小且一致，散布均勻，有利于膠液充分霧化。此次分析可為工程優(yōu)化設(shè)計提供一定借鑒參考。