雙介質(zhì)噴嘴氣相流速對(duì)霧化效果的影響

肖 華1，楊含笑1，陳向榮1，陳 梅1，吳啟東1，吳正人2

(1.河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

雙介質(zhì)霧化噴嘴因其良好的霧化性能，被廣泛地應(yīng)用到煙草、化工等行業(yè)。雙介質(zhì)霧化噴嘴主要是指通過大致平行的低速液流與其他高速氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，期間發(fā)生相互摩擦碰撞等過程，導(dǎo)致液體管束或液體薄膜進(jìn)行霧化的一種裝置。實(shí)際應(yīng)用中，多為兩相氣流霧化噴嘴噴射，也包括各種類型的氣相介質(zhì)霧化噴嘴。雙介質(zhì)霧化噴嘴可以通過物理過程將液體整體轉(zhuǎn)化為微小的液滴，增大比表面積，提高蒸發(fā)或反應(yīng)速度[1-2]。

王松齡等[3]基于DPM模型，分析了液化氣滴霧化速度、直徑和流量霧化液體中氣滴的數(shù)量和流通量與霧化壓力之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)同一工作霧化壓力較高時(shí)，液化氣滴在一定計(jì)算域內(nèi)平均連續(xù)停留時(shí)間短，速度越大；同一霧化壓力工作條件下，液化氣滴霧化速度主要還是集中于一定速度范圍之間。液滴管的直徑等長(zhǎng)度隨液體壓力強(qiáng)度增大而逐漸減小，且直徑減小的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸緩慢變緩。劉聯(lián)勝等[4]利用新型激光出口散射粒度儀分別對(duì)3種不同出口霧化特性分別進(jìn)行了霧化試驗(yàn)結(jié)果研究和霧化理論結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)通過提高出口空氣液體注入時(shí)的壓力和增大氣液注入質(zhì)量時(shí)的流量比、增大出口空氣液體注入截面積可以大大改善出口霧化使用效果，增大空氣出口截面積和增大液體注入流量則可能會(huì)大大降低出口霧化使用效果。盧平等[5]通過臨床試驗(yàn)研究考察了2種雙孔式流體沖孔噴嘴的進(jìn)口霧化質(zhì)量特性，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口霧化液滴入口平均噴孔直徑速度隨進(jìn)口氣液流量比的減小和增大，呈明顯下降和上升的趨勢(shì)，增大進(jìn)口霧化液中氣滴在注入口噴孔截口的面積也更有利于改善進(jìn)口霧化氣的質(zhì)量。白鵬博等[6]選取馬爾文測(cè)霧儀并對(duì)內(nèi)混式噴嘴在工況不一定的情況下噴嘴的霧化特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了內(nèi)混式噴嘴的霧化特性存在關(guān)聯(lián)的是噴射壓力、氣液比。侯燕等[7]建立了多流體噴嘴三維流量CFD流動(dòng)模型，對(duì)液體噴霧場(chǎng)內(nèi)的氣流場(chǎng)與出口溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，討論了噴嘴數(shù)目、進(jìn)口壓力、入口流量及液體噴霧高度對(duì)液體霧化后液滴流動(dòng)速度、液體噴滴出口直徑及流量分布、壁面及噴換熱傳動(dòng)能力及均勻性的重要影響。吳進(jìn)軍等[8]為了揭示壓力對(duì)直射式噴嘴霧化影響的霧化機(jī)理，針對(duì)D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式噴嘴采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下：壓力是影響直射式噴嘴霧化的重要參數(shù)。壓力越大，燃油液滴粒徑SMD越小、噴霧錐角越大。直射式噴嘴的壓力增大，霧化效果增強(qiáng)趨勢(shì)逐漸降低；壓力增大對(duì)一次霧化影響較大，對(duì)二次霧化影響較小。李子陽等[9]基于CLSVOF(couple level-set and volume-of-Fluid)方法對(duì)直流互擊式的霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并詳細(xì)研究了孔徑比對(duì)霧化特征的影響。鄒哲偉[10]在離心式噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)該噴嘴流量的霧化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，該噴嘴的流量基本上與出口壓力的平方根成正比，且噴嘴的流量系數(shù)基本上不隨外界壓力的變化而變化，只與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果為理論分析提供了實(shí)踐依據(jù)。

本研究針對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)一步開展噴霧機(jī)理的研究。首先對(duì)霧化形成的過程進(jìn)行分析，得出影響霧化效果的因素。然后根據(jù)理論研究，建立相關(guān)的噴嘴霧化物理模型，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對(duì)霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣相流速對(duì)霧化效果的影響。

1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

1.1 霧化噴嘴模型

本文根據(jù)煙廠實(shí)際的噴嘴霧化模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，其主要針對(duì)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過inventor軟件等比例對(duì)雙介質(zhì)霧化噴嘴進(jìn)行三維物理建模，并通過icem軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其霧化模型如圖1。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)圖和噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格模型圖

圖2 噴嘴霧化模擬區(qū)域

除此之外本文根據(jù)建立煙廠實(shí)際的霧化場(chǎng)所建立霧化區(qū)域模型如圖2所示，其中模型為三維滾筒，通過滾筒模型我們可以觀察到由噴嘴模型噴射進(jìn)來的流體參數(shù)，以達(dá)到對(duì)霧化效果的監(jiān)測(cè)。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

首先通過0.21～0.5 mm的網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格化分，選取網(wǎng)格數(shù)目為280萬、345萬、501萬、734萬、1000萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在734萬之后噴嘴出口蒸汽速度不發(fā)生明顯變化。而且在進(jìn)行模擬中發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)過高時(shí)模擬所得數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)失真的情況，計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大增加。

對(duì)于數(shù)據(jù)失真的情況，分析其原因主要為網(wǎng)格尺寸過小，網(wǎng)格體積小于液滴體積，導(dǎo)致液滴在網(wǎng)格計(jì)算中不連續(xù)，從而造成誤差。考慮到計(jì)算的時(shí)間成本與數(shù)據(jù)精度，采用網(wǎng)格數(shù)為734萬的模型，網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。

1.3 模擬條件的設(shè)置

本文將噴嘴模型導(dǎo)入Fluent軟件，并根據(jù)模擬工況采用SIMPLE求解器進(jìn)行壓力-速度耦合式求解，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和vof氣液兩相流模型，并采用隱式徹力方式。其中液相設(shè)置成煙草香料，氣相設(shè)置為蒸汽，考慮到筒壁粘附效應(yīng)，液體和蒸汽之間的表面張力系數(shù)設(shè)為0.07。蒸汽入口條件設(shè)置為pressure-inlet，料液的入口邊界條件為velocity-inlet，然后選用pressure-outlet作為噴嘴出口邊界條件，靜壓設(shè)置為0.1 MPa，并把出口空間設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)。考慮實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況及多次模擬運(yùn)行效果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，擬定標(biāo)準(zhǔn)工況，考慮料液溫度55 ℃，蒸汽溫度60 ℃，考慮到壁厚對(duì)傳熱效果的影響削弱及兩相介質(zhì)溫度接近，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，取兩相溫度均為58 ℃。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 有無氣相介質(zhì)對(duì)霧化效果的影響

為探究氣相流速對(duì)外混式雙介質(zhì)噴嘴霧化效果的影響，首先通過固定液相流速為10 m/s，氣相流速分別設(shè)置為0 m/s和80 m/s，來驗(yàn)證思路的可行性，其模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 液相流速為10 m/s氣相流速分別為0 m/s和80 m/s的速度云圖

圖3從上到下依次為氣相速度為0 m/s的半剖面和出口面的速度云圖、氣相速度為80 m/s的半剖面和出口面的速度云圖。由半剖面速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，有氣相流速時(shí)，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內(nèi)噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。由出口速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，有氣相流速時(shí)，速度出現(xiàn)多次分層現(xiàn)象，這有利于加強(qiáng)霧化的強(qiáng)度，提高霧化的均勻性。以上模擬結(jié)果驗(yàn)證了雙介質(zhì)噴嘴相對(duì)于單介質(zhì)噴嘴霧化效果的優(yōu)越性。

2.2 氣相速度對(duì)霧化效果的影響

在驗(yàn)證氣相流速有利于加強(qiáng)霧化效果之后，為探究不同氣相流速對(duì)霧化效果的影響，將液相流速設(shè)置為10 m/s，分別將液相流速分別為60m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的噴嘴霧化情況進(jìn)行對(duì)比。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在液相速度一定的情況下，隨著氣相速度的增大，氣相分子與液體分子相互碰撞作用加強(qiáng)，兩相流之間的能量與動(dòng)量交換作用愈發(fā)明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加。其中，液體流束邊緣處與氣相作用最劇烈，作用效果最明顯。

圖4 液相流速為10 m/s時(shí)氣相流速分別為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的速度云圖

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同氣速下計(jì)算域的體積分?jǐn)?shù)結(jié)果可知，在相同液相流速下，氣相速度越大(在一定范圍內(nèi))，液體的擴(kuò)散效果越好，霧化效果越明顯。得出結(jié)論，增加氣體速度與液相速度的比值能明顯強(qiáng)化霧化。

圖5 液相流速10 m/s，氣相流速為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際噴嘴模型，結(jié)合煙廠的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行雙介質(zhì)噴嘴的物理建模，并通過設(shè)置相關(guān)的邊界條件來達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。通過控制變量法來研究液相流速對(duì)霧化效果的影響。研究表明：有無氣相流速會(huì)對(duì)霧化效果產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)氣相介質(zhì)參與霧化時(shí)，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內(nèi)噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。驗(yàn)證了氣相流速，會(huì)對(duì)霧化效果產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，為后面的模擬奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)液相流速固定時(shí)，隨著氣相流速的增加，氣相分子與液體分子能量與動(dòng)量交換效果加強(qiáng)，霧化效果明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加，有利于促進(jìn)霧化程度。