基于Fluent的雾化器雾滴粒径的研究
2020-03-25，
，
(青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)
0 引言
我国的先进制造业发展迅速，雾化器的应用领域日趋广泛[1-4]。雾滴粒径作为影响雾化发生器喷嘴雾化性能的重要因素，所以设计性能更优的喷嘴显得尤为重要[5-6]。在现阶段，对于雾化发生器，在提高其雾化效果方面仍然存在许多技术瓶颈，此次试验以提高雾化效果和效率为主要目的，优化雾化发生器中喷嘴结构，这样不但可以提高雾化的效果，而且还有助于减低对环境的污染[7-8]。
1 雾化发生器的结构及工作原理
本次雾化发生器的结构示意如图1所示。本次实验的雾化发生器采用了两相流的方式，该方式的装置方便拆装并且能够做到气液联动。因为在一般
图1 雾化装置整体结构示意
的工作过程中，通常会出现许多不好的现象，如在正常情况下，由于雾化装置会受到液相工质湍流的反向冲击，当气相工质输入完成后，会发生液相工质的输入无法正常关闭的现象，从而导致泄漏。
2 雾化发生器的仿真分析
2.1 数学建模
雾化器尺寸的选择，由实验所采用的测量方法、实验所记录的数据以及雾化过程的特点决定。
索太尔平均直径(SMD)：把所有的液滴近似地看成具有相同表面积和体积的圆球，所求的圆球直径即为索太尔平均直径，通常用于评价喷嘴喷雾形成的液滴的统计平均直径[9]。索太尔平均直径的计算公式为
(1)
D为液滴直径；Dmax为液滴最大直径；dN为液滴增量。
因为雾化过程中形成的液滴为球形，因此有
(2)
R-R分布函数是一种概率分布函数，表达式为
(3)
X为特征尺寸；K为液滴直径分布参数；Q为小于液滴直径的液滴累计质量百分数。
在液滴粒径分布服从R-R分布的情况下，由式(1)～式(3)得
(4)
Γ为伽马函数。
2.2 网格划分
网格的划分需要对流体进行离散化，连续分割几何模型的计算域，将其计算域分为形状不规则的更小区域。喷嘴模型的网格划分如图2所示。
图2 喷嘴模型网格划分
2.3 仿真结果
本次模型的模拟仿真采用Fluent。在实际实验中，雾化发生器喷嘴液相工质的输入压力与模拟仿真中的压力输入相差不大，为了简化分析的流程，可忽略不计。
2.3.1 轴向中心截面距
轴向中心截面距为5 cm和60 cm时，所形成的雾化仿真结果分别如图3和图4所示。相比较而言，液相通道直径为5 cm时，气相通道出口处的涡流更加密集，表明随着轴向中心截面距的减小，液膜受气相工质的撞击增大，这样不但改善了雾化效果，而且还有利于工作效率的提高。
图3 轴向中心截面距为5 cm时喷嘴雾化后速度云图
图4 轴向中心截面距为60 cm时喷嘴雾化后速度云图
2.3.2 气液比
气液比为0.4和0.8时，所形成的仿真结果分别如图5和图6所示。通过对比可表明，在气液比逐渐增大的过程中，喷嘴出口处涡流就会越集中，表明气液比的增大提高了雾化效果。
图5 气液比为0.4时喷嘴雾化后速度云图
图6 气液比为0.8时喷嘴雾化后速度云图
2.3.3 液相压力
液相压力在0.1 MPa和0.6 MPa时，所形成的仿真结果分别如图7和图8所示。通过对比可知，当液相工质经过喷嘴形成的液滴时，在同一位置所形成的涡流，随着液相输入压力的增加，会逐渐变明显。
图7 液相压力p=0.1 MPa时喷嘴雾化后速度云图
图8 液相压力p=0.6 MPa时喷嘴雾化后速度云图
2.3.4 气相压力
气相压力在0.1 MPa和0.5 MPa时，仿真结果分别如图9和图10所示。通过对比可知，在喷嘴出口处所形成的速度云图，在气相压力逐渐增大的过程中流场分布区域会相应增大，这表明在轴向位置，距离越大，气相通道喷出的气相工质的相对速度变小。
图9 气相压力输入p=0.1 MPa时喷嘴雾化后速度云图
图10 气相压力输入p=0.5 MPa时喷嘴雾化后速度云图
3 实验验证
3.1 实验条件及方法
本次实验采用PDPA检测技术[10],在实验环境稳定的条件下，将空气压缩机压缩所得到的空气用于此次雾化实验的气相工质，气相压力控制在0.1～1 MPa之间。将稳压供水系统提供的清水作为液相工质，液相压力控制在0.1～1 MPa之间，其表面张力稳定在0.011 7 N/m。
3.2 实验结果及分析
3.2.1 轴向中心截面距对液滴粒径的影响
如图11所示，在轴向中心截面距逐渐增大的过程中，4种不同液相通道直径的液滴粒径的变化趋势相似，均为开口向上的抛物曲线，且对称中心线为雾化中心线。由图11可知，在轴向中心截面距逐渐增大的过程中，液滴粒径呈现变大趋势，且液相通道直径尺寸大的，其液滴粒径也就越大。通过分析可知，在雾化发生器壶体中心距离增加的过程中，由于雾化形成的液滴速度极快，液滴之间的运动会不断变化，不仅发生碰撞，还会受重力的影响而下降。但是在下降过程中，距离相近的液滴间会发生融合，在融合的过程中，两边的液滴粒径产生变动。
图11 不同轴向中心截面距对液滴粒径变化曲线
3.2.2 气液比对液滴粒径的影响
如图12所示，在气液比增大的过程中，4种不同液相通道直径的雾化发生器在喷嘴处雾化所形成的液滴粒径都呈现减小趋势。通过分析可知，经过气相通道喷出的用于二次雾化的气相工质动能随着气液比的增大而不断增加，这也增大了对雾化液滴和初次雾化形成的雾化膜的撞击力度。保持环境压力不变的前提下，在气体工质流量的增加的过程中，液滴粒径会减小。
图12 不同气液比下形成的液滴粒径变化曲线
3.2.3 液相压力对液滴粒径的影响
如图13所示，在液相压力逐渐变大的过程中，4种不同液相通道直径的雾化发生器在喷嘴处雾化所形成的液滴粒径的变化趋势基本相似，但是变化幅度却存在较大差异。在液相工质输入压力为0.6 MPa之前，液滴粒径的变化相对明显；在液相工质输入压力为0.6 MPa之后，液滴粒径的变化越来越小。通过分析可知，在距离雾化发生器喷雾形成的“空气锥”的最远处所形成的液滴速度要低于喷嘴处，液滴之间的撞击力度远小于喷嘴处，碰撞会使液滴之间发生聚并，从而表面张力也会发生改变。
图13 不同液相压力下形成的液滴粒径变化曲线
3.2.4 气相压力对液滴粒径的影响
如图14所示，在气相压力不断增大的过程中，4种不同液相通道直径的雾化发生器所形成的液滴粒径的变化趋势相似。在气相压力不断增加的过程中，液滴粒径会沿中心轴线随着气相压力的增大逐渐增大。通过分析可知，在气相工质输入压力逐渐增加的过程中，气体分子参与二次雾化的动能也会逐渐增大，会对初次雾化所形成的微小颗粒的冲击加强，因此在流量大小变化不明显的状态下，喷雾的幅宽也会相应的增加。
图14 不同气相压力下形成的液滴粒径变化曲线
4 结束语
以不同尺寸的液相通道为实验对象，通过改变轴向中心截面距、气液比、液相压力和气相压力，对雾化后的液滴粒径进行了研究。实验结果表明：在气液比、液相压力和气相压力的逐渐增加的过程中，液滴粒径呈现变小的趋向；在轴向中心截面距逐渐增加的过程中，液滴粒径呈现增大趋向。这些规律为以后新型雾化器的研究与设计提供了可靠的数据及规律。
