二流體霧化器霧化過程仿真及試驗

張雨生 何箐 由曉明 梁立康 張云杰

摘 要： 探究了二流體霧化器液膜破碎過程與液滴形成過程，對不同螺距和噴嘴出口形狀的二流體霧化器噴嘴進行仿真研究。仿真分析了二流體霧化器的液膜形成與破碎過程，通過耦合VOF-DPM 模型，成功獲得了霧化過程中的液滴粒徑尺寸分布，并通過試驗驗證仿真結果的準確性。研究結果表明，二流體霧化器中螺距對氣相的速度影響較大，高速的氣相從出口流出時會形成較大湍流抬升導液管附近液相；不同的噴嘴結構會導致液相延伸的長度和一次破碎完成的時間不同，氣相的速度越高二次破碎能產生的液滴顆粒粒徑越小；氣相速度較低的噴嘴二次破碎過程以液團形式完成二次破碎，氣相速度較高的噴嘴則以液帶形式完成二次破碎。

關鍵詞：噴霧干燥；霧化器；二流體；VOF-DPM 模型；液滴

中圖分類號：S220文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0107-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.018

0 引言

霧化是將大塊的液體料液轉換為小液滴的過程，它代表了內部和外部力量對液體表面張力的破壞，在沒有這種外力破壞的情況下，液體表面張力傾向于將液體拉成具有最小表面能量的球體形式，霧化在內燃機、制藥給藥、噴霧干燥和滅火器等方面都有著普遍應用[1]。霧化器是噴霧干燥過程的核心部件，霧化器通過不同的霧化方式，將料液霧化成粒徑為微米大小級別的液滴，液滴在干燥塔內直接干燥形成粉體，霧化液滴的大小和速度等狀態將影響噴霧干燥形成粉體的質量[2]。因此探究霧化過程中霧化液滴的破碎機理和狀態是提升霧化性能、制備可控粉體的前提。

在多種形式的霧化器中，二流體霧化器因能量消耗低、霧化效果好及霧化可控等優點被廣泛使用，研究人員對二流體霧化器霧化進行了大量研究。

WATANAWANYOO P 等[3] 設計制作了一種內混合式二流體霧化器，并對比了不同氣液比對霧化效果的影響。MLKVIK M 等[4] 使用4 種類型的內混合二流體霧化器對不同黏性流體（黏度μ 分別為60、147 和308MPa·s）在不同氣液比（2.5%、5%、10% 和20%）條件下進行低壓噴霧，通過高速攝像機比較霧化器內部氣?液流動、噴霧穩定性、一次破碎和液滴大小來確定液滴的破碎方式，并評價二流體霧化器的工作情況。

結果表明，表面張力是霧化破碎的主要方式，OIL 霧化器在低氣液比能產生最小液滴，OIL 霧化器內部流型在所有工況下都是環形，對于OIG 霧化器，隨氣液比的增加，從塞流變為斷塞流。ZAREMBA M 等[5] 在相同工藝環境下對不同二流體霧化器進行比較，通過多種方式觀察噴霧形成，使用一種簡化的分析方法評估了內部流型，得到了近噴嘴區域流體的變化情況，結果表明，特定的混合過程可以產生環形內部流，從而產生較低液滴尺寸為特征的穩定噴霧。隨著計算機技術的進步，通過CFD 對霧化器的霧化過程進行仿真模擬能更清楚地揭示霧化過程中所發生的現象，王雷等[6]基于大渦模擬對離心式噴嘴霧化過程進行仿真，揭示了噴嘴內部相界面的振蕩現象與外部液膜的破碎細節，并獲得液滴粒徑的空間分布特征。范海宏等[7] 通過使用VOF-DPM 模型對污泥霧化破碎進行仿真模擬，確定了氣體速度、霧化角度和氣液比為影響污泥破碎的3 個重要工藝參數。

二流體霧化器霧化過程短，二流體混合接觸反應劇烈；對二流體霧化器的研究現階段集中在不同工藝參數對霧化效果的影響上，而不同結構對霧化效果的影響研究較少。本研究基于FLUENT 仿真平臺與兩種結構不同的二流體霧化器，系統地開展二流體霧化器霧化過程的仿真與試驗。

1.2 計算模型

霧化器模型如圖1a 所示，二流體霧化器主要由殼體、導液管和進氣管3 部分構成。將二流體霧化器模型簡化，完成噴嘴復雜流體域的創建，通過Meshing對流體域進行網格劃分，兩種二流體霧化器結構參數如表1 所示。其中，二流體霧化器中間為導液管，旁邊為進氣管，導液管外壁為螺旋結構，用以增加高壓氣體的剪切作用，螺旋結構長度為L=60 mm，為減少計算量，將導液管長度降低至50 mm，進氣管直徑為9 mm， 在噴嘴外側設置一個直徑D=150 mm、高度H=150 mm 的圓柱外側流體域。整個流體域采用四面體非結構化網格進行劃分，對噴嘴和噴嘴出口流體域處進行網格加密，如圖1b 所示。初始網格數量共計180萬個，經檢查平均網格縱橫比為1.8，網格質量評價標準平均為0.85，網格質量較好，符合計算要求。

由于霧化過程產生的小塊液團的尺寸較小，此時的網格尺寸可能難以完全追蹤，為充分捕捉液面的運動變化與破碎過程，減小誤差，使用基于曲率的自適應網格，網格將根據液相變化自動細化，使用網格細化間隔為2 個時間步長，4 級細化等級。

仿真過程使用的模型邊界條件基于實驗室數據，其中進氣管為壓力入口，氣體壓力為0.6 MPa，導液管入口設置為質量流量入口，設置為0.005 kg/s。由于二流體霧化器的霧化破碎和液滴形成過程較為復雜且迅速，霧化過程中產生各種形態的液膜、液帶、小液滴等，在尺寸上相差較大，單純使用流體體積法（VOF）需將模型的網格尺寸降低到微米級才能保證細小的液滴被追蹤，這種方式需要巨大的計算資源及時間，同時霧化形成的液滴顆粒信息難以被捕獲和統計。因此對二次霧化過程中產生的液滴群數值模擬，使用離散相（DPM）模型，根據流體體積法（VOF）模擬的一次破碎過程中產生的液滴群，通過等效直徑和非球形度的相關轉換標準，將液滴轉換為拉格朗日離散相顆粒，進而統計相關的粒徑等顆粒信息，實現霧化過程的數值模擬，為減小液體在導液管中行進所消耗的時間，將導液管中液相質量分數含量初始化為1，在計算過程中保證在計算時瞬態模擬每個時間步長迭代結束連續性方程的方差<1e-6，以此保證仿真的收斂性和精度。

2 仿真結果分析

2.1 霧化過程中液相流動特性分析

1 號霧化器液相變化如圖2 所示，在霧化開始階段靠近導液管壁面附近的液相向上延伸，出現倒角，液相從導液管中心位置向下進入霧化區域與氣相混合，高速的氣體導致中間液相表面出現擾動，在0.02 ms 時，液相表面擾動更加劇烈，隨著時間的進行液相表面出現細小的液柱，液面擾動影響到導液管內部形成部分空隙，細小液柱在高速氣相的作用下進一步破碎形成部分液團和小液滴顆粒。

2 號二流體霧化器液相與1 號相似，液相首先會沿導液管壁面向上延展形成倒角，如圖3 所示，倒角隨著時間的延長越來越大，與1 號二流體霧化器不同，2號霧化器在0.3 ms 之前液面擾動較1 號二流體霧化器平穩，液相靠近導液管壁一側進入霧化區域，液面擾動加劇出現細小液柱和液團，隨后細小液柱和液團破碎形成小液團和液滴顆粒。

對比兩種不同結構參數的二流體霧化器可以看出，兩種霧化器液相在霧化開始階段均沿著導液管內壁上移形成了倒角。這是因為氣相速度較快，首先從出口流出，由于文丘里效應，氣相出口處氣壓較低，對周圍空氣形成抽吸作用，較大的空氣壓力將導液管壁附近的液相抬升繼而形成倒角。對比兩種霧化器，2 號二流體霧化器在導液管周圍形成的倒角相差較大，液相在導液管中明顯偏移導液管軸線，這可能與噴嘴出口形狀有較大關系，因為錐形的噴嘴出口對氣相的影響更大，氣相經過螺旋加速后從狹窄的錐形出口一側從出口流出，致使出口處的氣相速度不均勻，因而形成了液相偏轉。除此之外，1 號霧化器的霧化時間更短，霧化器在0.04 ms 的時間內就基本完成了初次霧化，而2 號二流體霧化器在1 ms 左右才完成初次霧化。1 號霧化器顯然霧化的更加劇烈，在更短的時間內完成了霧化，并且氣相速度在氣相出口周圍更均勻。經過對兩種霧化器氣相出口處的速度進行統計，結果表明，1 號二流體霧化器出口處的平均速度為693.65 m/s，2 號二流體霧化器出口處的平均速度為607.91 m/s，這是其霧化時間更短的主要原因。

2.2 霧化過程液相破碎分析

以液相體積分數50% 為等值面，1 號二流體霧化器液相表面破碎隨時間變化情況如圖4 所示，液相在0.01 ms 的時候液面較為完整，液面出現較小的擾動，液相不斷輸入并受重力作用與氣相接觸之后，液相擾動劇烈并影響上方平穩的液面，致使平穩的液面開始出現擾動，隨著擾動越來越劇烈使液面產生小液柱，繼而液柱在氣動力的作用下被穿透，形成大塊的液團完成初次破碎，因為液相破碎主要是通過周向波動產生的液柱和液帶導致的初次破碎，因此1 號霧化器初次破碎主要是因為由瑞麗?泰勒（R-T）擾動主導的初次破碎，但同時觀察到小液柱存在軸向的位置擾動與變化，這可能也與開爾文?亥姆霍茲（K-H）擾動有關，這與MANSOUR A 等[12] 在試驗中觀察到的液膜不穩定性試驗結果相吻合。

2 號霧化器液相表面破碎隨時間變化情況如圖5 所示，與1 號霧化器相似，霧化開始時液相表面較為穩定，出現較小的擾動波紋，隨著液相的不斷輸入，當液相與氣相接觸之后液相沿周向舒展，形成液膜，液膜在氣動力的作用下出現空隙，形成小液柱和液帶結構。隨著時間的延長，液相表面擾動更為劇烈，此時由于周向擾動產生明顯的周向皺褶液面，如圖5 d 所示。相較于1 號霧化器，小的螺距使氣相在相同壓力入口的條件下氣相出口速度低。較低的氣相速度無法使液相在源源不斷輸送條件下破碎，因此導液管軸線位置形成較長的大面積液柱。大液柱隨著氣相的進一步破壞，液柱的頂端逐漸變細并破碎形成液團和液塊，完成一次破碎。

2.3 霧化過程二次破碎分析

液相經過一次破碎形成大塊液團后，液團繼續運動相互碰撞或在氣相和形成的高速湍流的高速剪切作用下進一步發生二次破碎形成小液滴。因此在一次破碎的基礎上，將最大等體積球徑設置為50 μm，當流體體積法（VOF）中液團的直徑<50 μm 時，小粒徑的液滴將轉換為拉格朗日顆粒即DPM 離散相，進而統計液滴顆粒粒徑等相關信息，本文中半徑標準差與半徑?表面正交性兩種評估液團球形度的標準均設置為0.5。兩種二流體霧化器中液滴粒徑分布如圖6 所示，可以看出，1 號霧化器中液滴的二次破碎主要發生在液膜的周圍表面，由較大的液團破碎轉換為細小液滴如圖6a 中Ⅰ所示，2 號霧化器中二次破碎主要發生在液相之下，以液帶破碎為主如圖6b 中Ⅱ所示。統計兩種霧化器在霧化時間0.035 ms 以內將液滴轉換為拉格朗日顆粒的粒徑與數目，結果如圖7 所示，其中2 號二流體霧化器中追蹤到的顆粒數目比1 號二流體霧化器多32 顆。

由圖7 可知，1 號霧化器中粒徑較小的顆粒數目明顯多于2 號霧化器，說明不同的霧化器結構對霧化效果有較明顯的影響，較大的螺距將影響氣相的出口速度，不同的氣相出口速度又進一步導致了不同的霧化效果。

2.4 試驗及結果分析

制作兩種不同結構的噴嘴，使用500 nm～1 μm 粒度的氧化鋯粉體原料，加入質量分數含量為1.6% 的熱固性黏結劑，其中固形物含量為40%～60%，漿料研磨3.5 h，進行噴霧干燥試驗，并對粉體進行性能表征，其中粉體的粒度分布采用激光粒度分析儀（Topsizer，珠海歐美克儀器有限公司）測定，粉體的表面形貌及截面形貌特征通過掃描電鏡（Phenom Pro X，美國FEI）進行觀察分析。其中兩組霧化器制得的粉體粒度如圖8 所示，兩種粉體粒徑分布在1～25 μm，粉體的中值粒徑均保持在10 μm 左右，1 號霧化器稍小于2 號霧化器，最終生成的粉體粒徑與仿真過程獲得的液滴粒徑變化趨勢基本一致。其中兩種粉體的微觀形貌如圖9 所示，從表面形貌可以看出，1 號霧化器制備的粉體多呈凹狀或碗型，2 號霧化器制備的粉體大多保持完整的球形，這是由液滴速度不同導致的，這從側面印證了1 號二流體霧化器較大的螺距能使氣相具有較快的速度，繼而使霧化形成的液滴速度較快，速度較快的液滴迎風面和背風面的干燥速度不同，液滴中的固相會向干燥速度較快的迎風面移動，最終形成凹形或碗型的粉體。從粉體的截面形貌來看，粉體均較為疏松，2 號霧化器制備的粉體球形度保持較好。

3 結束語

對二流體霧化器霧化過程進行仿真模擬，深入研究了不同結構參數對霧化效果的不同影響，并通過兩種結構的霧化器進行噴霧干燥試驗對仿真結果進行了驗證。

（1）霧化過程中由于氣相的速度較快，會在出口處形成較強湍流，壓縮周圍空氣將液面抬升，液相會沿導液管壁形成倒角，螺距越大的霧化器氣相速度越快，霧化程度越劇烈。

（2）不同的噴嘴結構會影響氣相在出口處的速度均勻性，平面型出口氣相出口處的速度比錐形出口處的速度更均勻。除此之外，兩種不同結構的二流體霧化器一次破碎主要由瑞麗?泰勒不穩定性擾動導致，也與開爾文?亥姆霍茲擾動部分相關。

（3）通過耦合DPM 顆粒，證明氣相速度快的二流體霧化器以液團形式發生二次破碎，氣相速度較低的二流體霧化器以液帶形式發生二次破碎，對二次破碎產生的液滴粒度進行統計，得到液滴二次破碎獲得的液滴粒徑范圍，與試驗結果進行對比，吻合度較高。

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