基于FLUENT的高壓精細霧化噴嘴特性研究*

張嘉麗，李 浩，梁文宏

（西安工業大學機電工程學院，西安710021）

0 引言

從20 世紀開始人們就對霧化噴嘴內部流動狀態進行模擬研究。Dumouchel C 等[2]運用渦流函數來計算霧化噴嘴內流場。Baharanchi A A[3]利用VOF 模型和湍流模型對霧化場進行研究分析，并對霧化場采用不同湍流模型進行研究，得出RNGk-ε模型在可以保證仿真計算的時候，計算成本也大大下降。浙江大學的尹俊連[4]采用VOF 和RNGk-ε模型研究霧化噴嘴內部的氣流兩相流流動狀態。VOF 模型的方法來研究高壓精細旋流霧化噴嘴，與實驗結果也有較高的吻合[5]。Madsen J 等[6]對壓力旋流式霧化噴嘴采用LES 和VOF 模型結合的方法進行研究，研究發現實驗結果與仿真結果基本吻合。

在噴嘴實際應用中，標準的k-ε模型其假定流體流動各向均勻湍流，對于流體的旋轉運動沒有一個很好的計算[7]。因此對于高壓精細霧化噴嘴模擬來說，此方法不合適，RNGk-ε對比標準的k-ε模型，它在計算過程中考慮了湍流旋流，計算精度有很大的提高，它能更好地模擬噴嘴內部強旋轉流動等復雜流動[8]，而且比標準湍流模型具有更高的精度。

綜上，對于霧化噴嘴的研究主要是對常溫狀態下的液體進行數值模擬，對于高溫霧化研究較少。本文根據絲束熱濕處理時選用的高壓精細霧化噴嘴工作原理，構建噴嘴三維模型，同時為精確反映噴嘴流場特性，采用大工顯測量旋芯重要尺寸，文中采用VOF 兩相流模型結合RNGk-ε的方法對高壓精細霧化噴嘴內流場進行數值模擬，重點研究流場速度分布以及液體不同溫度對出口壓力的影響，為后期工程應用提供重要參考。

1 噴嘴物理模型的建立

1.1 噴嘴幾何模型

圖1 所示為高壓精細霧化噴嘴剖視圖，它主要由噴孔、螺紋帽、帶狹縫的旋芯、彈簧、過濾棉及噴嘴殼體等組成。高壓精細霧化噴嘴結構簡單、霧化效果好且成本較低被廣泛應用在農業、化工、工業生產及動力設備等行業。根據高壓精細霧化噴嘴整體剖視圖，在噴嘴旋芯后端區域主要為圓環形流動，流體區域面積變化不大，液體經過旋芯狹縫到旋流室這一段時，流域面積發生突變，導致流場狀況也發生了改變。因此，在下述工作中主要對旋芯到旋流室區域的特性進行研究。

圖1 旋流霧化噴嘴剖視圖

高壓精細霧化噴嘴霧化原理如圖2 所示，液體由切向進入旋流室內，在旋轉室內進行旋轉，壓力能轉變成液滴動能，然后由小孔高速噴出，出口處會形成液滴群形狀，之后與空氣接觸，形成表面波，表面波的形成使得液膜伸長變薄，最后破碎成細小霧滴[9]。

圖2 高壓精細霧化噴嘴霧化原理

根據高壓精細霧化噴嘴霧化原理，高壓精細霧化噴嘴的狹縫尺寸、噴孔大小和操作壓力對霧化產生的效果以及生產能力起著重要的決定作用。采用游標卡尺測量高壓精細霧化噴嘴尺寸，由于旋芯狹縫和噴孔采用游標卡尺測量誤差較大，為了模型更加可靠、準確，采用大工具顯微鏡測量狹縫和噴嘴噴孔尺寸，得到如表1 所示的噴嘴尺寸。

表1 高壓精細霧化噴嘴重要尺寸mm

1.2 噴嘴物理模型及網格劃分

根據高壓精細霧化噴嘴工作原理，旋芯狹縫使得流體區域面積突變對噴嘴霧化的效果影響較大[10]，同時為了節約計算時間，縮小網格數量簡化仿真，其忽略對仿真無明顯影響，根據以上得到的高壓精細霧化噴嘴尺寸，在Solidworks三維軟件中建立內部流道模型，如圖3所示。

梳理廉政風險點。進駐后，紀檢組及時收集閱讀各單位廉政工作等方面資料，對主要業務、人員情況有初步了解，深入基層調研，進一步排查各單位廉潔風險點，對4家單位60個廉政風險點基本做到心中有數，制定針對性監督防范預案。

圖3 高壓精細霧化噴嘴幾何模型

模型的網格劃分是求解微分方程的重要問題之一，網格劃分是否合理是數值模擬重要一步，合理的網格劃分可以極大簡化方程求解。本文采用ICEM CFD 軟件對旋流霧化噴嘴進行網格劃分，為了計算的高效性，采用四面體非結構網格劃分方法對噴嘴進行網格劃分，網格劃分單元數為205 181，網格節點數為30 586，網格劃分如圖4 所示。由于高壓精細霧化噴嘴的結構較為復雜，對于幾何尺寸突變的地方，即狹縫和旋流室連接位置以及出口處進行局部網格細化的方式進行加密，如圖4（b）所示，保證了數值模擬計算的可靠性，經驗證網格質量符合要求。

圖4 高壓精細霧化噴嘴三維網格劃分

2 噴嘴內流場數學模型的建立

2.1 基本控制方程

本模型對所研究的高壓精細霧化噴嘴的實際物理現象作了如下假設：由于噴嘴所使用的工作介質是溫度在20～95 ℃的熱水，噴嘴內部流場中有溫度熱現象的產生，考慮液體是否有熱量傳遞，熱傳遞有3 種基本方式：導熱、對流和輻射，在實際長期工作中，金屬管道和噴嘴處的溫度一致，不考慮換熱和對流；保溫箱附近裝有絕熱層，不考慮熱輻射；液體在噴嘴內部的流動為不可壓縮，噴嘴內存在空氣和水，氣液之間無理化反應；噴嘴入口和出口的勢能差很小，可忽略不計；忽略質量力的影響。

基于上述模型的假設，流體在旋芯狹縫處及旋流室內的流場數值模擬計算時除了求解連續性方程和動量方程外，由于涉及不同液體溫度，還需要求解能量方程[11]。

連續性方程：

式中：P為液體的密度；vˉ為速度矢量。

動量守恒方程：

式中：keff?T為熱傳導導致的能量變化；hjJj為組分導致的能量變化；τeff·U為黏性耗散導致的能量變化。

2.2 邊界條件與控制參數設置

合適的邊界條件對于流場解的計算準確性至關重要，根據高壓精細霧化噴嘴的內部實際流動狀況，噴嘴出口位置有空氣芯的存在。因此，高壓精細霧化噴嘴流體域邊界條件入口設置為壓力入口（為工作壓力2.6 MPa），入口第二項設為1，表明入口處全部是水，溫度為50 ℃，出口邊界條件設置為壓力出口，壓力值為0 Pa（與外界大氣壓相等），并設置出口第二項回流為0，表明發生回流時，回流全部為氣體，其余為壁面，采用無滑移絕熱壁面。

在求解過程中采用SIMPLE 算法，壓力項采用PRESTO!，動量項采用二階迎風格式，體積分數采用compressive 離散格式，湍動能項、湍粘系數和雷諾應力項采用一階迎風格式，瞬態計算過程中時間步長設置為10-5s，每步迭代計算100 次，計算進行到第二項的流動狀態基本不再發生改變，認為此時流體發展完全，停止計算。

3 仿真結果與分析

在對高壓精細霧化噴嘴進行分析時，選擇不同截面進行分析，能更好理解噴嘴內部流場特性，如圖5 所示為狹縫處和旋流室處的截面位置，分析狹縫處和旋轉室內的速度場、壓力場云圖。

圖5 噴嘴旋芯狹縫處和旋流室處位置示意圖

3.1 速度場分析

高壓精細霧化噴嘴入口壓力設置為2.6 MPa，液體溫度設置為323.15 K，出口壓力為0 MPa（大氣壓），初始時刻為空氣，模擬得到旋流霧化噴嘴速度云圖和速度矢量云圖。

圖6 所示為數值模擬得到的噴嘴內流場速度云圖，從圖6（a）中可以看出去離子水經狹縫到旋流室時，速度梯度變化呈圓環狀，中心速度最高，越向外速度逐漸降低，最外緣速度最小，速度方向呈繞中心旋轉的旋轉運動。縱向觀察圖6（b）所示的旋流室軸向截面速度云圖，可以看出噴嘴在旋流室內中心區域到噴嘴邊緣，速度先增加后減少，認為是高壓精細霧化噴嘴在噴霧過程中，中心壓力變小幾乎接近真空，外部氣壓大于噴嘴截面中心處壓力，空氣形成了倒吸，產生負壓，使得噴嘴截面中心處速度變小；橫向來看，高壓精細霧化噴嘴經旋流室后速度是逐漸增大的，速度越大，噴霧的射程越遠，并從噴口高速噴出。

圖6 高壓精細霧化噴嘴速度云圖

圖7 所示為噴嘴速度矢量云圖，由圖可知，液體在旋流室內產生強烈的渦旋運動，渦旋的強弱對于旋流是有很大影響的，且中間區域的渦旋強度比中間區域以外的區域渦旋速度要大很多，旋流室內液體由于旋芯作用產生渦旋的同時，高速涌向出口噴出。

圖7 高壓精細霧化噴嘴速度矢量云圖

3.2 壓力場分析

圖8 所示為旋流霧化噴嘴在2.6 MPa 供水壓力下的壓力云圖。由圖可以看出噴嘴在工作中，噴嘴內部壓力很大，噴嘴外邊緣壓力幾乎不變等于入口壓力，壓力變化主要發生在旋流室和出口處，且旋流室處越靠近中心區域壓力越低，同時可以認為壓力損失主要發生在于旋流室和噴口處。

圖8 旋流霧化噴嘴壓力云圖

3.3 溫度場分析

應工程需求，保溫箱內絲束經過時要在20～95 ℃的環境下加熱加濕，研究保溫箱內溫度的變化對壓力的影響是非常重要的，通過前面的分析、現場實驗情況以及文獻資料，霧化首先在同一壓力下通過設置不同的溫度，來觀察在噴嘴內部溫度是否變化，在初始化后，設置監測出口溫度走勢圖如圖9 所示，溫度走勢圖幾乎沒有變化，入口溫度和出口溫度是等同的。

圖9 不同溫度的出口溫度走勢

查閱資料得知溫度對水的黏性是有影響的[12]，如圖10 所示。為了更好地研究不同液體溫度對霧化特性影響，對霧化溫度在20～95 ℃的狀態下壓力進行數值模擬計算，此階段的出口壓力曲線圖（所說的相對壓力指相對大氣壓的壓力）如圖11所示。

圖10 水的黏溫特性曲線

圖11 不同溫度下出口壓力曲線

從圖11 可以看出，同一入口壓力不同溫度下出口壓力是不同的，隨著高壓精細霧化噴嘴內液體溫度逐漸升高，出口壓力逐漸減小，溫度越高，出口壓力下降越明顯，且為負壓，負壓的產生是因為外部空氣卷吸入噴嘴，在噴嘴中軸線處形成了負壓區。對比入口壓力，溫度較低時，壓力差不明顯，霧化噴嘴內液體溫度越高時，壓力差越大，且在較高溫度時噴嘴出口壓力受溫度影響更加明顯。在90 ℃時，入口壓力為2.6×106Pa，出口壓力為-6.98×104Pa，壓力差最大。結合圖10 水的黏溫特性曲線，發現隨著溫度的升高，水的黏度將逐漸降低，水的黏性主要是水分子之間的內聚力引起的，當水溶液溫度升高時，水分子之間的內聚力減弱。因此溫度越高，水的黏度越小，射流更容易霧化，出口壓力逐漸減小。

4 結束語

本文采用FLUENT 仿真軟件對噴嘴霧化流場進行數值分析，通過觀察高壓精細霧化噴嘴內部速度云圖、速度矢量云圖和壓力云圖，分析高壓精細霧化噴嘴在旋流室和出口處速度、壓力變化比較大。對于狹縫處截面速度、速度矢量和壓力云圖，從中心到外側，速度逐漸減小，壓力逐漸增大；對于旋流室處的速度、速度矢量和壓力云圖，旋流室內形成繞中心旋轉的渦旋運動，且不斷向前運動，直至到噴嘴出口高速噴出。由于工程要求在不同溫度下進行濕熱處理，因此對不同溫度下的出口壓力進行了研究，發現隨著溫度不斷的增加，液體的黏性會下降，液體射流更容易霧化，出口壓力減小，且在較高溫度時，出口壓力受黏溫特性影響更加明顯。