空氣霧化噴嘴內流場的特性分析

陳有錦，袁銳波，張 劍，李贇釗，羅 威

(1.昆明理工大學 機電工程學院, 昆明 650504；2.昆船智能技術股份有限公司, 昆明 650500)

0 引言

近年來，我國科學水平不斷發展，受到新科技影響的行業不斷增多，煙草行業就是其中之一。盡管我國的煙草生產技術與之前相比已經取得了很大的進步，對于煙草生產工序的精準度和穩定性以及系統的控制水平不斷完善，但是與國際先進水平還存在一定的距離，需要煙草機械的相關研發工作人員進一步改進和完善[1]。通過對煙葉加香加料的利用率、準確性以及均勻性問題的改善，可以很大程度上在后面直至成品的工序中提升煙葉的成品質量以及口感品質[2]。

對于煙葉香料施加的均勻性問題上，現在大多數采用香料霧化噴嘴，以此通過壓縮空氣對香料進行霧化，通常情況下將噴嘴作為一種霧化元件，對于料液霧化的均勻度很大程度上取決于噴嘴的內部結構設計。因此，為了解決加料不均勻問題，可以對噴嘴內部的流動特性規律進行研究[3]。

基于煙草加料工序，為了進一步提高料液霧化的均勻性和穩定性，保證料液可以均勻準確地分布在煙葉的表面上。以煙草加料的霧化效果為基準，對噴嘴內部流場進行分析，尋找結構參數對料液流動的影響規律，對料液的霧化過程進行探索，利用流體仿真的方法對噴嘴內部流場進行可視化分析[4-6]。

1 液體霧化的基本理論

1.1 兩相流數字模型的建立

基于流體力學相關理論分析可知，流體的流動遵循物理守恒定理的分配，因此，對于噴嘴霧化內流場流動特性的分析要遵循三大基本守恒定律，即質量守恒定律、動量守恒定律[7]和能量守恒定律。由于霧化噴嘴的內部空間結構小和氣液兩相的相對流速極快，湍流現象會表現得非常強烈，局部渦流現象也容易出現。為了更準確地反映出實際流體流動的情況，增加數值模擬的準確性，選用Realizable湍流模型對霧化噴嘴的流動進行模擬求解[8]。在模擬中，不考慮熱量與質量傳遞，模型的質量守恒與動量守恒方程分別如下：

質量守恒方程：也稱連續性方程，是質量守恒定律在流體力學理論中的應用，定義為在一定時間內進入單元體的所有質量與一定時間內單元體增添的所有質量相等[9]。通常情況下，連續性方程的表達式如下:

(1)

動量守恒方程：也稱運動方程，一般情況下利用Navier-Stokes方程對其進行描述，表示單元體中的流體受到外界作用力的合力與單元體內流體動量的增加率相等[10]。

▽·(μeff,kαk(▽uk+(uk)T))-

αk▽P+Fg,l+ρkαkg

(2)

式中：Fg,l為相互作用力；g和l分別為氣相和液相；ρ為流體密度；u為流體速度；μeff,k為第k相的有效黏度；P為壓力；g為重力加速度；αk為第k相的體積分數，并且總體積分數等于1，即：

(3)

對于質量守恒與動量守恒方程的求解，需要封閉相間作用力項和湍流黏度項。

2 空氣霧化噴嘴內流場數值模擬分析

空氣助力霧化噴嘴是一種兩相流噴嘴，兩相分別為氣相和液相，主要是通過壓縮空氣的噴灑作用，使得料液達到霧化的效果。通過上一節理論分析，噴嘴內氣液兩相的流量值對霧化效果的影響很大。所以本節主要是對相應的霧化噴嘴模型的內流場進行分析，并通過改變氣壓和流量的工藝參數，研究噴嘴內部的流動特性以及混合腔內霧化效果受工藝參數變化的影響，為噴嘴內流場結構參數的優化提供依據[11]。

2.1 噴嘴幾何模型的建立

對于霧化噴嘴的霧化，噴嘴內部幾何結構的構建對流體在噴嘴內部的流動特性有直接影響。其中氣相管道的直徑、液相管道的直徑、混合腔的尺寸、氣孔的數量以及交叉角等多種因素對噴嘴霧化的整個過程都有很大的影響。所討論的是空氣助力霧化噴嘴，通過噴嘴技術手冊的介紹，可以知道氣液兩相的進入方式以及分布對流體的流動特性影響不是很大，更大的影響因素在于氣液的混合方式。為了能夠更加直觀地了解該空氣助力霧化噴嘴的內部結構，根據對應的結構參數對噴頭進行設計，主要由氣液兩相的入口、氣液流道以及氣液混合腔3部分組成[12]，如圖1所示。

1.液體流道，2.氣體流道，3.液體入腔口,4.氣體入腔孔，5.混合腔，6.出口

該空氣助力霧化噴嘴的工作基本原理為：氣體和液體進入噴嘴流道以后，氣體以環形流道前進，然后通過多個小孔的結構增強進入混合腔時的注射壓力，在混合腔內對液體進行第一次破碎，并與氣體充分混合，最后經過噴嘴的出口小孔噴射到外界再一次充分霧化。

2.2 數值計算過程

2.2.1噴嘴流場建模與網格劃分

對上述空氣助力霧化噴嘴結構進行分析，根據其工作原理確定氣液兩相的流域，進一步對霧化噴嘴的計算流域模型進行繪制，如圖2所示。空氣助力霧化噴嘴的霧化過程實際是一個兩相混合的問題，整個霧化過程比較復雜，特別是氣相和液相相互交匯混和的過程，在空間大小有限的范圍內高速沖擊，使得局部壓力大，湍流程度也相對較劇烈。對于網格模型的劃分，通過合理的方法可以得到質量較好的網格，而網格質量的優劣對計算的結果會產生不同程度的影響[13]。這里通過STAR-CCM+對計算域模型進行網格劃分，由于所用的幾何模型對計算結果的要求較高，因此，全流域網格劃分對網格數量以及網格質量要求較高，網格的劃分形式采用非線性多面體網格，計算域的網格數量為 2 699 122個，節點數為 11 106 535個，得到網格劃分示意圖，如圖3所示。

圖2 噴嘴內流場的計算域模型

圖3 網格劃分示意圖

2.2.2邊界條件設置與計算方法設置

邊界條件的設置在數值模擬的過程中也是比較重要的一環，邊界條件的正確設定可以使計算結果有唯一解，同時保證計算結果的準確性。將氣體入口設置為壓力入口，液體入口設置為流量入口，噴嘴的出口設置為壓力出口。考慮到實際生產中的料液具有一定的粘性且氣液有一定的溫度，所以為了提升計算速度，這里將粘度設置為水的5倍來代替料液，同時設置空氣的溫度為60 ℃，液體的溫度為55 ℃。由上一節的內容可以知道，數值模擬計算分析時連續相采用VOF模型[14]，由于氣相的流速比較快，選用Realizablek-ε模型，采用標準壁面方程(standard wall functions)的近壁面處理方法[15]。

2.3 內部流場特性分析

為分析霧化噴嘴內流場的霧化特性在不同氣體壓力和不同液體流量的變化情況，將氣相壓力分別設置為0.25、0.3、0.35、0.4 MPa，液體流量設置為25、30、35、40 kg/h。研究氣體壓力或液體流量作為單一變量時噴嘴內流場流動特性的變化。為了更清楚地分析噴嘴內部不同位置的速度變化，對其內部流場特性進行了更深入地了解，在噴嘴內部中心X軸方向19.3、21.1、22.5、23.5、24.1、24.68、25.12、25.42、25.72、26.32、27.42 mm共11個點進行仿真數據采集，并進行數據處理。

2.3.1入口速度對內流場湍動能分布的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內流場湍動能分布的影響

圖4是在一定液體流量、不同氣體壓力下的湍動能(turbulent kinetic energy,TKE)變化云圖，最大湍動能為1 120 J/kg。從湍動能云圖可以看出，在噴嘴口之前湍動能幾乎沒有梯度變化，在噴嘴出口靠近壁面的位置，湍動能的梯度變化比較明顯，中心區域湍動能較小。隨著氣體壓力的增大，出口處的湍動能值也越大，說明氣體壓力的大小直接影響著湍動能的大小。這是因為隨著氣體壓力的逐漸增大，氣動作用在噴嘴內也不斷增加。

圖5為在液體流量一定的情況下，隨著不同氣體壓力的變化，沿著噴嘴中心軸線方向的湍動能變化曲線。由圖5可以看出，在25.42 mm前，隨著軸線距離的延伸，湍動能的大小幾乎不發生變化，在25.42 mm以后開始進入噴嘴出口段，徑向截面積變小，湍動能開始迅速增大。在湍動能迅速增大的同時，噴嘴內的氣體動力隨著氣體壓力的增大而不斷增強，氣液兩相相互間的作用力增強，湍動能的增長速率相對更快。

圖4 不同氣體壓力下湍動能分布云圖

圖5 不同氣體壓力下軸向湍動能變化曲線

圖6為在液體流量不變的情況下，噴嘴出口平均湍動能隨氣體壓力的變化曲線圖，隨著氣體壓力的增加，出口的平均湍動能逐漸增強。噴嘴出口平均湍動能與氣體壓力幾乎成正比關系。說明湍動能隨氣體壓力的影響很大，通過提升氣體壓力可以提升湍動能，有助于提升氣液兩相間的相互作用。這是因為氣體壓力增大的同時必定會促使流體的運動速度加快，所以湍動能呈現上升的趨勢。

2) 液體流量對噴嘴內流場湍動能分布的影響

圖7說明了在一定氣體壓力的情況下，噴嘴內部湍動能隨液體流量的變化規律，最大湍動能為1 260 J/kg。由圖中的最大湍動能值可以知道，噴嘴內部流動特性的湍動能值與液體流量呈負相關關系，也就是說，湍動能的大小在液體流量不斷增加的同時不斷減小。這是因為液體流量的增大，使得噴嘴內部氣液兩相的混合程度加劇，液體的增多需要氣體提供更多能量完成液體的初次霧化，但由于氣體壓力不變，所以噴嘴內部的氣動力減小，進一步使湍動能隨著液體流量的增加而減小。

圖6 出口湍動能隨氣體壓力的變化曲線

圖7 不同液體流量下湍動能分布云圖

圖8表示在噴嘴中心軸向湍動能隨液體流量的變化，在軸向坐標25.42 mm前，在不同的液體流量下，湍動能值幾乎保持相等且不發生浮動變化。在軸向坐標25.42 mm以后，湍動能值同時迅速增大，這是因為25.42 mm以后，進入噴嘴的出口階段，徑向截面積開始變小，使得氣液混合的流速迅速增加。由于液體流量的增多，使得氣體對破碎液體的能量增多，促使噴嘴內部的氣動力減小，湍動能跟著減小。所以湍動能與液體流量呈負相關關系，隨著液體流量的增大而減小。

圖8 不同液體流量下軸向湍動能變化曲線

圖9為噴嘴出口平均湍動能隨液體流量的變化曲線，在液體流量增大的同時，噴嘴出口的平均湍動能呈減小的趨勢。這是因為根據能量守恒定律，氣體的能量不變，一部分用于更多液體的初步霧化破碎，一部分用于流體的流動。所以用于液體初步霧化破碎的能量增多，使得用于流體流動的能量減弱，湍動能也跟著減小。

圖9 出口湍動能隨液體流量的變化曲線

2.3.2入口速度對內流場速度分布的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內流場速度分布的影響

圖10為在液體流量一定的情況下，不同氣體壓力下噴嘴內部的速度分布情況，通過對4張速度云圖的分析，可知最大速度能達270 m/s。位于噴嘴出口的附近位置速度最為顯著，從出口的徑向截面來對速度進行分析，速度從噴嘴中心到噴嘴壁面先變大再變小，在出口的中處速度變小，靠近噴嘴壁面的地方速度最大，貼近噴嘴壁面的地方速度變小。在不同的氣體壓力下，噴嘴出口的速度分布梯度不太一樣，在小的氣體壓力條件下，速度變化不明顯。隨著氣體壓力的增大，噴嘴出口壁面附近的速度變化也越明顯，這是因為在氣體壓力增大的同時，對液滴進行剪切破碎的能力更強。所以通過提升氣體壓力可能更有利于提高噴嘴的霧化效果。

圖10 不同氣體壓力下速度分布云圖

圖11為不同的氣體壓力下軸向速度變化曲線。在24.1 mm前對速度的變化幾乎不產生影響，在24.1 mm以后在氣體壓力的作用下速度開始迅速上升，在26.32 mm處速度幾乎達到最大值。同時由于氣體壓力的不同，為液體破碎提供的能量大小也不同，對速度的影響也不同。在24.1 mm以后，在不同氣體壓力的作用下，同樣位置速度的變化也不一樣，速度差值越來越大，在25.52 mm處，速度差值最大。

圖11 不同氣體壓力下軸向速度變化曲線

圖12為不同空氣壓力情況下噴嘴出口平均速度圖，當液體流量一定時，隨著氣體壓力的增加，出口速度也逐漸增大。但是出口速度在氣體壓力剛開始增加的時候上升的速率較大，在氣體壓力增加到一定值以后，出口平均速度的增長開始緩慢，出口速度也將進一步趨于穩定。這是由于隨著氣體壓力的增加，為液體提供的破碎能力越大，所以速度也越大。

圖12 出口速度隨氣體壓力的變化曲線

2) 液體流量對噴嘴內流場速度分布的影響

圖13為在一定的氣壓下，不同液體流量下的速度分布云圖。對速度分布圖進行分析，在出口壁面附近比較顯著，速度可達到298 m/s，中心速度小，靠近壁面速度大，貼近壁面速度小。但是在氣體壓力不變的情況下，不同液體流量下噴嘴出口的速度梯度幾乎不發生明顯變化，說明氣體壓力相比液體流量對速度的影響較大。

圖13 不同液體流量下速度分布

如圖14為在氣體壓力一定時，不同液體流量下軸向速度變化曲線。在19.3～23.5 mm，中心速度幾乎不發生變化，但是在同一個點上，液體流量越小，速度也越小。隨著液體流量均勻性增加，速度也均勻性增大。在23.5～26.32 mm，速度逐漸增加，在26.32 mm處取得最大值。但是速度增加的速率與液體流量呈負相關關系，液體流量越少，速度增加的速率越大，最終在同一位置，液體流量越少，速度越大。

圖14 不同液體流量下軸向速度變化曲線

圖15為一定氣體壓力下、不同液體流量下的噴嘴出口的平均速度，在液體流量不斷上升的同時，出口截面的平均速度不斷下降，并且平均速度下降的幅度慢慢變小。這是因為液體流量的不斷增加，液體被分裂需要的能量就更多，一定的空氣壓力下，霧化介質氣體提供的能量有限，轉化為速度的能量就減少，所以速度降低。

圖15 出口速度隨液體流量的變化曲線

2.3.3入口速度對內流場液體體積分數的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內流場體積分數分布的影響

圖16為一定液體流量下、不同氣體壓力時的液體體積分布圖。從圖中可以看出，當液體進入噴嘴混合腔以后，在氣體壓力的作用下，液體和氣體開始混合，隨著混合腔內氣液兩相的相互作用，紅色的徑向截面積逐漸變小，液體的體積分數不斷降低，在噴嘴口達到最低值。隨著氣壓不斷上升，噴嘴內液體體積分數下降的幅度越大。因為隨著空氣壓力的增大，輸送到噴嘴內氣體的速度就越快，噴嘴內的氣體流量也就越多，由于混合腔內徑向截面積不發生變化，所以氣體對液體的擠壓力變大。

圖16 不同氣體壓力下液體體積分數分布云圖

圖17為在不同的氣壓作用下，沿著噴嘴軸向的液體體積分數的變化曲線，在不同的氣體壓力下，軸向液體體積分數變化情況基本相同，在19.3～21.4 mm中，混合腔體內液體體積數勻速變小，在21.4～25.42 mm，混合腔的收縮段徑向截面積變小，使得氣液兩相間的作用力增大，促使液體體積分數的下降速率變大，25.42 mm以后進入噴嘴孔內，在噴嘴孔內液體體積分數的下降頻率逐漸緩和，在出口處達到最小。

圖17 不同氣體壓力下軸向液體體積分數變化曲線

圖18為在不同氣體壓力的作用下，噴嘴出口液體體積分數的平均值變化情況。當液體流量一定時，出口平均液體體積分數值隨著氣體壓力的增大不斷減小，說明隨著氣體壓力的增大，氣相占據的比重也越來越大，對液體破碎的程度也逐漸加深，并且液相體積分數減小的幅度隨著氣體壓力的增大而不斷增大。

2) 液體流量對噴嘴內流場體積分數的影響

圖19為在氣體壓力不變的情況下，液體體積分數隨液體流量的變化分布圖。從圖中可以看出，當液體流量為25 kg/h時，液體在剛進入混合腔時，在氣體流動的沖擊下與氣體已經基本混合，到達噴口處已經充分混合，液體所占的比重為0.01左右，液體基本全部破碎為小液滴。由于液體流量發生變化，在噴嘴出口液體與氣體充分混合的程度有所不同，隨著液體流量的增加，噴嘴出口的液體體積分數有增高的趨勢。這是因為在液體流量增加的同時，需要被破碎的氣動力更大，不利于液體與氣體充分的混合，所以在氣體壓力一定的情況下，液體流量的增加抑制了液體的破碎程度。

圖18 出口液體體積分數隨氣體壓力的變化曲線

圖19 不同液體流量下液體體積分數分布云圖

圖20為噴嘴中心軸向液體體積分數的變化曲線。在不同的液體流量下，在噴嘴出口前液體的體積分數幾乎保持相同的變化趨勢，在19.3 mm處液體體積分數基本都保持在0.9左右，隨著噴嘴軸向距離的移動，液體體積分數均保持相同的下降趨勢，此時液體流量對液體體積分數的變化幾乎沒有影響。在24.1 mm以后，混合腔體徑向截面積開始收縮，并在25.12 mm處進入噴嘴出口，這個過程液體的體積分數開始迅速下降，并在進入噴嘴孔以后，液體體積分數的下降幅度開始緩和，說明進入噴嘴孔前后氣液兩者間的相互作用力也逐漸緩慢，均在出口處液體體積分數達到最小。

圖20 不同液體流量下軸向液體體積分數變化曲線

圖21為隨著液體流量的變化，噴嘴出口平均液體體積分數的變化曲線。在氣體壓力一定的情況下，隨著液體流量的增加，出口平均液體體積分數不斷增加，最小為0.01左右，表示在液體流量為25 kg/h時，液體和氣體相互混合的程度最高，液體破碎的程度也越深，這是因為液體流量的多少決定著液體被破碎所需要的能量大小。所以在氣體壓力不變的情況下，減小液體流量有利于液體進一步霧化。

圖21 出口液體體積分數隨液體流量的變化曲線

3 結論

對霧化噴嘴的模型進行了繪制，并進行了網格的劃分以及邊界條件的設定。基于CFD仿真軟件分別分析了不同氣體壓力以及不同液體流量對噴嘴內流場的速度、湍動能以及液體體積分數的影響。經過對仿真結果進行處理，從仿真云圖、噴嘴中心軸向坐標點以及噴嘴出口的平均值等3個方面對噴嘴的內部流動特性進行了分析。混合腔中徑向截面積不變時，速度和湍動能幾乎不隨氣體壓力或液體流量的變化而發生變化，液體體積分數均保持勻速下降的趨勢。在混合腔的徑向截面積縮小以后，當液體流量一定時，速度和湍動能與氣體壓力呈正相關，且增長的幅度大。而液體體積分數隨著氣體壓力的增大不斷下降，減小的幅度也不斷增大，氣體動力增大的同時，對液體的約束力逐漸增強。當氣體壓力一定時，根據氣體壓力的增加，速度和湍動能隨著液體流量的增加出現上升的趨勢，但增加的幅度逐漸減小，液體體積分數隨液體流量的增加逐漸下降，但減小的幅度也逐漸變小。