氣液雙介質噴嘴霧化特性的影響因素研究

劉偉華，吳啟東，楊小娜，肖華，張智博，吳正人

煙包新材料與數字化

氣液雙介質噴嘴霧化特性的影響因素研究

劉偉華1，吳啟東1，楊小娜1，肖華1，張智博2，吳正人2

（1.河北白沙煙草有限責任公司保定卷煙廠，河北 保定 071000；2.華北電力大學 動力工程系，河北 保定 071003）

氣液雙介質噴嘴的應用是煙葉加料工藝的關鍵因素之一，通過采用現有的模擬手段實現加料過程的高精化，為優化實驗奠定基礎。文中以外混式雙介質噴嘴為研究對象，通過構建基于DPM的數值模型，研究不同蒸汽入口壓力與針閥位置對噴嘴霧化的氣動性能與粒徑特性的影響規律。研究表明，噴嘴出口通流面積越大，氣流高速區離噴嘴越近，但蒸汽與料液的速度最大值并未有較大變化，此時液滴噴射距離由遠變近，噴射半角由小變大。隨著蒸汽壓力的增大，氣流速度以及高速區長度變大，蒸汽壓力為0.1 MPa時，氣流速度的最大值與蒸汽壓力為0.4 MPa時的相差近25%；不同壓力下噴射角變化范圍較小，為21.5°～23.5°；除此之外，噴霧束變集中，定向性變好，有助于控制其在煙葉表面噴射的均勻性。對于較近的煙葉墻，采用較大流通截面積的噴嘴結構有利于均勻地覆蓋煙葉墻，相反，對于較遠的煙葉墻，則適合采用較小流通截面積的結構。適當地提高壓力有利于提高料液噴灑的均勻性，減少料液的浪費，提高煙絲制備的工藝水平。

雙介質噴嘴；二次霧化；氣動特性；粒徑

卷煙工藝中的加料工序是高質量香煙生產的重要保證，而加料過程霧化系統的霧化質量則是影響加料、加香的精度和有效利用率的重要因素。目前主要采用雙介質霧化噴嘴對料液進行霧化，并以一定角度噴射至滾筒內旋轉拋撒的煙葉中，完成料液與煙葉的混合加料。現有很多基于經驗進行噴嘴霧化調整與控制來實現加料，尚無有效、精準的控制原則，對霧化后料液液滴形態，包括粒徑、均勻度以及噴射范圍等尚無準確的預測，阻礙了卷煙工藝以及成品質量的進一步提升[1-2]。

在針對噴嘴的研究中，Rozali等[3]進行了雙流體噴嘴的霧化實驗，基于空氣中懸浮液的霧化行為，發現增加霧化空氣速度可以形成更小的液滴，從而產生更好的霧化效果。基于煙草加料滾筒實驗平臺，山根銀[4]分析了粒徑與霧化噴射范圍之間的關系。王宇等[5]研究了不同介質類型、物性和液路溫度對霧化粒徑的影響規律。陳霖[6]對不同加熱條件下霧化溫度場分布進行了實驗研究，并提出了核心加熱區的概念。邢炯等[7]基于Fluent探究了氣液兩相流噴嘴內部流動特性和工作參數對流動特性的影響，研究表明，噴嘴內部最高速度出現在氣液兩相交匯處。Zhou等[8]研究了不同徑向射流速度下液–液噴嘴元件內的破碎規律，分析了撞擊形態、一次破碎噴霧角的形成，以及壓力、液體直徑和液體速度分布。發現徑向射流速度越大，對撞擊點和軸向薄板的擾動越大，產生的渦旋越強，有利于促進在更遠的距離內進行破碎，形成更大的噴霧角。

Zhu等[9]開展了液滴撞擊仿生超疏水植物表面的數值模擬，分析液滴撞擊速度、表面潤濕性能和表面張力等因素對液滴動力學特性的影響，發現表面接觸角和表面張力對液滴運動狀態有較大影響。Pezo等[10]分析了液體性質對液體和氣體流量預定值下噴射行為的影響，結果表明噴嘴直徑對射流的擴散特性有很大影響。李俏等[11]采用Fluent開展了針對雙介質噴嘴的VOF數值計算，并優化了噴嘴幾何結構。Shafaee等[12-13]研究了雙流體霧化器的幾何參數對噴霧錐角的影響，發現液體射流直徑對液滴尺寸和噴霧錐角的影響更為顯著。Chen等[14-15]研究了雙流體噴嘴的噴霧霧化特性和液滴湍流特性，在存在自激振動腔的情況下，噴霧錐角和液滴數濃度均增加，而液滴平均直徑和平均軸向速度均降低。

文中以雙介質外混式噴嘴為研究對象，基于數值模擬技術，通過分析其在內部結構變化及引射壓力不同時的霧化特性，揭示該類型噴嘴的霧化規律，實現對霧化特征的定量分析，得到當參數不同時的霧化液滴粒徑及分布規律、速度等的基本特征，既可以為噴嘴結構優化及其工作參數選擇提供重要的依據，也可以優化加料滾筒內料液的混合效果，實現煙草加工工藝的質量提升。

1 噴嘴模型

1.1 物理模型

雙介質加料霧化噴嘴的結構模型及剖面圖見圖1，主要包括噴嘴本體、料液進口、蒸汽進口、針閥以及中心管等部件，該噴嘴屬于外混型的雙介質霧化噴嘴。需要被霧化的有機料液由料液進口進入噴嘴，然后進入中心管內，在噴嘴出口處被高速引射蒸汽霧化。引射蒸汽通常為高溫、高壓蒸汽，其由蒸汽進口進入到中心管和噴嘴本體間的空間，然后在噴嘴出口處轉換為高速氣流，實現對料液的霧化引射。霧化過程中，引射蒸汽和有機料液只在噴嘴出口處進行混合，達到霧化效果，然后噴射到后續滾筒內。

圖1 雙介質噴嘴示意圖

由圖1可見，針閥位于噴嘴內的中心管內，改變其位置，可調節中心管內液體噴射量、噴射面等參數，同時，中心管的位置變化，對引射蒸汽流動也產生重要影響。通過噴嘴本體上的調節螺紋，則可改變針閥及中心管在噴嘴內部的前后位置，實現對噴嘴出口面積的控制，進而改變了料液和蒸汽出口處的流速，達到優化霧化效果的目的。

1.2 網格劃分及驗證

論文采用Fluent軟件對雙介質噴嘴霧化效果進行數值研究，通過去除不影響噴嘴內部流場的螺母、螺紋等幾何結構，并保留流場計算模擬區域，對圖1噴嘴復雜的幾何結構進行一定程度的化簡，以減少網格劃分的復雜性。然后根據流場區域的幾何特點，采用四面體網格分別對流體域與實體域進行網格劃分，同時對流場關鍵區域的網格進行加密，以保證計算模擬的精度。雙介質噴嘴和外流場區域的網格結構見圖2。

圖2 網格示意圖

以噴嘴出口蒸汽速度為參考值，進行網格無關性驗證，如表1所示，為保證網格質量，同時兼顧計算效率，最終選取的整體網格數約為734萬，此時的網格的平均扭曲度為0.15，符合計算要求。

表1 網格無關性驗證

Tab.1 Mesh independence verification

1.3 控制方程及邊界條件

雙介質噴嘴的霧化過程是一個復雜的氣液兩相流物理混合過程，DPM作為基于拉格朗日的一種跟蹤顆粒的方法，可以有效地處理雙介質霧化涉及的氣液兩相流問題，有利于求解雙介質噴嘴的霧化過程中涉及到連續相和離散相。

1.3.1 連續相方程

質量守恒方程：

動量守恒方程：

采用組分輸運模型描述空氣和水蒸汽的變化。組分輸運方程為：

1.3.2 離散相方程

液滴在噴射過程中動量運動方程為：

顆粒的軌跡方程為：

在進行非離散態數值計算時，在料液入口與蒸汽入口分別采用流量入口和壓力入口邊界條件，在出口則采用靜壓出口邊界條件。湍流模型采用Realizable K–Epsilon湍流模型。考慮計算的收斂性，剛開始采用質量流量進口，靜壓出口以加速收斂；當進口壓力接近對應工況的表壓時，再采用壓力進口進行迭代。

為了模擬噴嘴出口液滴的初次霧化與二次霧化，采用離散態數值模型來對霧化過程進行建模與計算，開啟DPM模型，射流源設置為空氣輔助旋流噴射器，并將混合材質定義為粒子工質。對于滾筒內霧化介質的發展，數值模擬過程中未考慮重力影響。在計算中調用組分輸運模型，并定義工質，文中設定的工質分別為水蒸汽和有機料液。料液的物理性質：表面張力為30.701 mN/m、密度為1 060 kg/m3、黏度為2.415 mPa·s。引射蒸汽的參數根據工況進行改變。

2 數值模擬結果及分析

2.1 不同結構時的噴嘴霧化特性

液體霧化的過程主要分為液體與蒸汽流入、液體初次霧化和液滴的二次霧化等3個階段。其中，第1階段為噴嘴內的流動數值，第2、3階段為初次霧化與二次霧化過程的離散態模擬。

圖3展示了雙介質噴嘴的霧化過程，高溫、高壓引射蒸汽進入噴嘴后，在出口形成高速氣流。當料液經中心管流出時，在噴嘴口與高速蒸汽流相遇，由于速度差異，蒸汽與料液間產生了明顯的剪切作用，形成了剪切面，蒸汽與料液之間較大的速度差將料液撕裂并霧化。

圖3 霧化過程流線圖

根據雙介質噴嘴的幾何結構和分析雙介質噴嘴霧化過程的機理可知，噴嘴的針閥及中心管的相對幾何位置變化會使噴嘴內部結構發生變化，主要表現為噴嘴出口氣液混合處結構發生改變，這會對噴嘴出口的霧化形狀及霧化效果產生較大影響，探究兩者的相對位置對霧化效果的影響是優化雙介質噴嘴的重中之重。

為了分析不同結構時的霧化特性，文中將針閥和中心管調整到3個不同的相對位置，進而分析結構調整對霧化特性的影響。參考實際噴嘴的霧化應用，以針閥和中心管移動到最右端為起點，按照針閥及中心管的位置不同，確定了3種噴嘴結構，分別稱為結構a（針閥向左移動15 mm，中心管向左移動6 mm）、結構b（針閥向左移動10 mm，中心管向左移動4 mm）及結構c（針閥向左移動8 mm，中心管向左移動3 mm），其中，結構a的料液和蒸汽出口面積均最大，結構c的料液和蒸汽出口面積均最小，而結構b處于二者之間。

圖4 中心不同位置

圖5給出了不同結構下的氣液兩項組分分布、速度場分布和噴嘴出口處速度分布。由此可見，料液和蒸汽出口的通流面積越大，噴嘴霧化角越大，氣流高速區離噴嘴越近，但氣流最高速度值在不同結構下相差不大，在以上3種結構中，最大速度為1 007～1 033 m/s。

綜上可知，該型號噴嘴在蒸汽壓力和料液流量一定時，不同內部結構情況下，噴嘴出口蒸汽與料液的速度最大值并未有較大變化，僅是速度分布位置發生了變化，通流面較小時，液滴噴射距離相對較遠，噴射半角較小，約為20.5°；通流面較大時，氣流高速區離噴嘴較近，噴射距離短，噴射半角相對較大，約為32.6°。

2.2 不同蒸汽引射壓力下的噴嘴霧化特性

由霧化機理可知，氣液介質的速度差是影響霧化效果的另一關鍵因素，氣液介質的速度差又受引射壓力的影響，因此引射蒸汽的霧化壓力是影響霧化效果的另一重要參數，文中以結構2為對象，在固定噴嘴中針閥及中心管的相對位置前提下，分別研究了3種不同蒸汽入流壓力（0.1、0.2、0.4 MPa）時的噴嘴霧化效果，分析氣流速度分布、料液含量的變化規律，以及液滴特性參數分布。

圖6為不同壓力下的料液速度情況，不同蒸汽進口壓力下，氣流在噴嘴的出口速度大小和分布有明顯區別，0.1 MPa時的氣流速度最大值與0.4 MPa時的相差近25%，蒸汽入口壓力越大，氣流速度也相對較高，高速區的長度越大。在不同壓力下的噴射角基本一致，噴射半角變化范圍為21.5°～23.5°。可以看出，噴嘴霧化噴射角主要受噴嘴出口處結構影響，而蒸汽入口壓力對擴張角的影響相對較小。

圖5 不同結構下的霧化特性

圖6 不同壓力下的氣流速度

圖7為不同壓力下的氣液組分分布情況，壓力越大，料液噴出后噴霧束越集中，因此噴射定向性越好，0.1 MPa時在噴嘴口周圍已存在明顯的料液偏離噴霧束，這會造成料液浪費，使料液附著在筒壁上，更容易引起筒壁黏附煙片問題。

圖8—10為不同蒸汽壓力下液滴特性參數分布規律，0.4 MPa與0.2 MPa時，液滴數量分布相對均勻，0.1 MPa時，液滴出現了明顯的擴散，并且壓力為0.4 MPa時，噴霧束更加緊湊，有助于控制其在煙葉表面噴射的均勻性。壓力越大，液滴均勻性越好；統一粒徑分布范圍越大，偏離噴霧束的大液滴越少。相對而言，0.1 MPa的噴霧束外形松散，不易對焦噴射，粒徑分布不均勻。這是由于蒸汽壓力較小時，噴嘴出口混合區域氣液相對速度較小，料液二次霧化不充分，料液液滴數量及粒徑分布會明顯不均勻，如圖8c和9c中所示存在多個液滴聚集區域，霧化效果較差。在0.2 MPa和0.4 MPa時的霧化特征則比較相近，霧化數量和粒徑分布均比較均勻，霧化效果較好，因此在綜合考慮霧化設備參數控制難度及能耗等因素下，建議該型號噴嘴的使用蒸汽壓力為0.2 MPa。

圖7 不同壓力下的氣液組分分布

圖8 不同壓力下液滴數量分布

圖9 不同壓力下液滴粒徑分布

圖10 不同壓力下的液滴粒徑D43分布

3 結語

通過模擬分析雙介質噴嘴的不同幾何結構和蒸汽引射壓力下的模擬工況，得到結論如下。

1）調整噴嘴內節閥及中心管的相對位置，改變了通流出口面積。由氣液兩項組分分布和速度分布特性可知，結構a的氣流高速區距噴嘴最近，結構b次之，結構c最遠，說明噴嘴出口氣液兩項通流面積越大，氣流高速區離噴嘴越近。

2）當蒸汽壓力和料液流量一定時，a、b、c 3種結構下噴嘴出口處的蒸汽與料液的速度最大值并未有較大變化，僅是速度分布位置發生了變化；但是隨著出口通流面由小變大，液滴噴射距離由遠變近，噴射半角由小變大，因此對于煙草滾筒內部較近的煙葉墻，采用較大流通截面積的噴嘴結構有利于料液噴灑的均勻性，反之亦然。

3）不同蒸汽進口壓力下，氣流在噴嘴出口的速度分布具有一定差異，壓力越大，高速區的長度越長，氣流速度越大，0.1 MPa時氣流速度最大值與0.4 MPa時相差近25%；但不同壓力下噴射角基本一致，噴射半角變化范圍為21.5°～23.5°。除此之外，隨著蒸汽壓力的增大，噴嘴霧束趨于集中，定向性變好，減少霧化的擴散，有助于控制其在煙葉表面噴射的均勻性。液滴均勻性變好，偏離噴霧束的大液滴也會變少，能夠在一定程度上減少料液的浪費，因此適當地提高壓力有利于提高料液噴灑的均勻性，減少料液浪費，提高煙絲制備的工藝水平。

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Factors Affecting the Atomization Characteristics of Vapor-liquid Dual-medium Nozzles

LIU Wei-hua1, WU Qi-dong1, YANG Xiao-na1, XIAO Hua1, ZHANG Zhi-bo2, WU Zheng-ren2

(1. Baoding Cigarette Factory of Hebei Baisha Tobacco Co., Ltd., Hebei Baoding 071000, China; 2. Power Engineering Department, North China Electric Power University, Hebei Baoding 071003, China)

The application of vapor-liquid dual-medium nozzle is a key factor in the tobacco feeding process. To achieve the high precision of the feeding process, it is necessary to use the existing simulation means to lay a foundation for optimizing the preliminary work of the experiment.In this work, the external mixed dual-medium nozzle was taken as the research object. Through the construction of a numerical model based on DPM, the effects of different steam inlet pressure and needle valve position on the aerodynamic performance and particle size characteristics of the nozzle atomization were studied.The results showed that the larger the flow area at the outlet of the nozzle, the closer the high-speed area of the gas flow was to the nozzle, but the maximum velocity of steam and liquid did not change greatly. At this time, the droplet injection distance changed from far to near, and the injection half angle changed from small to large.With the increase of steam pressure, the airflow velocity and the length of the high speed zone became larger. When the steam pressure was 0.1 MPa, the difference between the maximum airflow velocity and that at steam pressure of 0.4 MPa was nearly 25%. Under different pressures, the range of injection angle was small, ranging from 21.5° to 23.5°. Besides, the concentration of the spray was more concentrated, the directivity was better, and the number distribution of droplets was relatively uniform. It was favorable to control the uniformity of the spray on the surface of the tobacco leaves. For the closer tobacco wall, the nozzle structure with larger circulation cross-sectional area is conducive to evenly cover the tobacco wall. On the contrary, for the farther tobacco wall, the structure with smaller circulation cross-sectional area is suitable.Proper increase of pressure is beneficial to improve the uniformity of liquid spraying, reduce waste of liquid and improve the technological level of tobacco cutting.

dual-medium nozzle; secondary atomization; aerodynamic performance; particle size

TK221

A

1001-3563(2022)17-0224-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.17.029

2021–11–11

河北中煙工業有限責任公司重點項目（HBZY2021A005）

劉偉華（1977—），男，本科，主要研究方向為智能卷煙工廠。

吳正人（1973—），男，博士，副教授，主要研究方向為流體動力學理論及應用。

責任編輯：曾鈺嬋