基于Fluent的拉瓦尔喷嘴雾化特性数值模拟

2020-06-18赵向锋陈绍杰

华北科技学院学报 2020年2期

赵向锋，陈绍杰

(华北科技学院，北京东燕郊 065201)

0 引言

煤矿粉尘能够引起瓦斯煤尘爆炸事故和尘肺病，因此粉尘防治一直是煤矿安全生产和职业健康工作的重点[1]。喷雾降尘是粉尘防治的重要技术措施，喷雾质量的高低，很大程度上取决于喷嘴，在诸多种类的喷嘴中，压力旋流喷嘴以其结构简单、喷淋效果及雾化性能好、成本低等特点得到广泛应用。但是其不足之处也很明显，如浪费水资源、喷头频繁更换等问题日益严重。

基于拉瓦尔效应的超音速气水喷嘴是新型喷嘴的重要研究方向。Hatta等[2]采用数值模拟方法，研究了稳态和准一维条件下气体在拉瓦尔喷管内的流动特性。Odenthal等[3]进一步分析了稳态条件下气体流动的可压缩特性。李强等[4]研究了不同压力及环境温度条件氧气在拉瓦尔喷管内外的射流行为，并获得了射流核心长度与压力的定量关系。杨超等[5]研究认为采用拉瓦尔式阀芯的喷嘴能够产生超音速气流，对增大气液两相速度差有明显效果。高全杰等[6]采用数值模拟方法研究超音速喷嘴流场，表明喷嘴内气流经历的是减压增速降温的膨胀过程。程江峰等[7]研究认为随着进气压强增大，超音速喷嘴雾化流场内激波不断外移，并确定了内喷管加速特征曲线。目前超音速雾化喷嘴广泛应用于冶金、内燃机油喷雾化等方面[8-10]。煤矿井下超音速气水两相喷雾降尘机理研究不够深入。

为提高煤矿井下喷雾降尘效果，需设计满足不同工况要求的喷头，本文采用Fluent软件对拉瓦尔气——水喷嘴内、外流场的喷雾性能进行了模拟分析，能够为气水喷嘴的结构和工艺参数优化设计与现场应用提供参考。

1 拉瓦尔喷嘴雾化模型及机理

1.1 拉瓦尔喷嘴气液耦合数学模型

针对拉瓦尔式气水两相喷嘴，液体进入腔体室中被气流吹散，经过两次液滴破碎过程后，气液混合体从喷嘴另一端喷出，此过程是气液两相流动过程，选择VOF模型对喷嘴内外流场进行模拟。VOF模型是欧拉多相流模型一种，若某个计算区域单元内的某流体体积分数取为0，则该单元内无该流体，反之体积分数取为1，代表只有该流体。本文计算区域共有三个超音速喷嘴收缩段、扩张段、喷嘴外流场，因此方程组如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

体积分数方程:

(3)

其中：

ρ=Fρ1+(1-F)ρ2;ui=Fui1+(1-F)ui2

(4)

式中，ρ为密度，kg/m3；F为体积分数；i，j为张量指标；u为流速。

1.2 喷嘴雾化机理影响分析

流体湍流模型选用重整化群k-ε模型(RNG k-ε模型)，该模型考虑液滴破碎情况，主要为一次雾化。一次雾化是液柱破碎为液丝或者大颗粒液滴的过程。在喷雾过程划分中，雾化指的是液柱破碎为液丝或者大液滴的过程，如图1。

图1 横向气流中射流破碎机理

目前，Rayleigh-Taylor(简称R-T模型)是运用最普遍的雾化模型。R-T模型是通过最不稳定波増长来确定液膜破碎程度与时间，增长最快R-T波波长(衡量喷嘴雾化效果重要指标)为：

(5)

式中，ap液膜加速度；C1为依赖于喷头几何形状的参数。由R-T破碎产生的子液滴的半径为：

r=AR-T/2

(6)

式中，δ为液滴的表面张力系数；ρg为环境气体的密度；ρl为液滴密度。

由式(1)～(5)可知：液态水在气液两相混合流中所占体积分数、气液体密度与表面张力均对雾化程度造成影响。

2 喷嘴三维模型与网格划分

2.1 物理模型

如图2所示，喷嘴进气孔处接入数倍大气压，高压气体经拉瓦尔式结构后速度瞬间变大，在喉管处超过一倍音速。同时，在喉管处设置进水孔，液滴瞬间被高速气流破碎，经过一次雾化后形成细微雾滴，最终在出口处形成与粉尘碰撞、结合的小雾滴。因此采用维托辛思基曲线设计收缩段轮廓，同时为了避免粉尘反方堵塞喷嘴，扩张段锥角不宜太小，为避免摩擦磨损、涡流损失等，整体轮廓采用流线型设计。

2.2 网格划分

拉瓦尔喷嘴采用专业三维绘图软件UG绘制，之后将喷嘴图导入ANSYS Fluent中进行网格划分如图3所示。实际的雾化区域源头在喷嘴出口处，因此喷嘴外流场模型选取喷嘴出口处长2 m，直径1 m的圆柱体空间，作为模拟分析与测定的计算域。为使模拟条件与井下实际更接近，对图2中进气与进水孔的物理参数均与井下匹配。喷嘴网格的划分以六面体为主，进水孔处采用加密处理；外流场计算域网格划分采用四面体，部分边界域适当加密。网格总数约为20万个。

图2 拉瓦尔喷嘴三维模型简图

图3 拉瓦尔喷嘴网格划分图

3 边界条件及求解方法

采用Fluent软件中基于欧拉-拉格朗日方法的离散相模型模拟喷雾效果，喷雾介质为水与空气，混合流采用VOF模型，空气设为初相，液态水为第2相，外部环境设为标准大气压。进口边界条件将2个进气、进液口均设置为速度入口，并将进气口边界条件设置为压力进口，压力为3个标准大气压，并将出口空气相回流比设置为1，壁面采用标准壁面。对于喷嘴流场的计算采用三维分离式非稳态求解器，压力与速度耦合方式采用 Simple算法，方程的离散格式中，压力项选择Presto，体积分数项选择Geo-Reconstruct，其他的湍动能、动量方程均采用二阶迎风格式。用Rayleigh-Taylor(简称R-T模型)模型描述液滴的破碎现象。根据掘进工作面的实际情况并结合数学模型和FLUENT的模拟方法，确定数值模拟的各参数及边界条件如表1。

表1 边界条件设定

4 模拟结果与分析

4.1 喷嘴的流动特征图

图4为喷嘴的液滴粒子在计算域空间中的分布范围图，可表征拉瓦尔式喷嘴整个流动过程、雾滴速度以及最大分布范围。同时，也清晰的看出喷雾范围远远超过喷嘴出口处长2 m，直径1 m的计算域；喷雾雾滴最大速度也超过1倍音速，符合要求。

图4 喷嘴内流场液滴粒子分布范围截面图

在喷嘴的宏观流场中，如图5所示，结合井下巷道实地模拟，可知雾滴速度与喷嘴距离呈现正相关，在计算域的最远处速度最大；雾滴云呈扇形均匀分散；且拉瓦尔喷嘴雾化区域半锥角与喷射距离均优于传统喷嘴。同时依据Fluent软件中的气水雾化模型，拉瓦尔喷嘴粒径也小于传统喷嘴。符合井下实地除尘需求。

图5 喷嘴外流场液滴粒子分布迹线

4.2 喷嘴雾化特性分析

4.2.1 喷嘴沿轴向雾滴粒径分布

以喷嘴圆心为原点，以喷雾方向为X轴正向，垂直X轴为Y轴方向建立坐标系。选取此两坐标轴上若干点为测试点。分别沿着X轴、Y轴沿喷雾方向选取多个测试节点，取样研究沿轴向液滴的粒径分布，液滴粒径分布如图6、图7所示。

图6 沿X轴正向液滴粒径

图7 沿Y轴方向液滴粒径

索泰尔直径是评价雾化效果最常用的指标之一。液滴索泰尔直径沿轴向的变化先经历了一个由大变小的过程，主要是因为液滴自喷嘴喷出后，在空间内进行碰撞及二次破碎引起的。X轴方向上在喷嘴的出口处液滴的速度与粒径都较大，液滴碰撞后主要以破碎作用为主，破碎成更多的小液滴，此时液滴索泰尔直径呈减小的趋势。而随着距离的增加，在流场的下游处液滴个数增多，速度减小，二次破碎减弱，此时粒径呈缓慢增大的趋势为：在Y轴方向上，圆心处雾滴粒径最小，这是由于圆心处气流速度快、液滴破碎完全造成的。在Y轴方向圆截面上雾滴粒径总体呈现出圆心处小四周大的状态。

4.2.2 喷嘴进、出口截面面积之比与进水孔水流速对雾滴粒径影响

如图8所示，在不同N值情况下，分别测出距离喷嘴出口200～1200 mm处的液滴粒径。可以看出，不同进、出口面积下对SMD的影响。喷嘴的进口与出口直径比值越小，雾化的液滴平均直径就越小；井下喷嘴实际应用选择时应综合考虑水压、耗水量、水质等情况，当喷嘴口径太小容易因水质原因造成喷嘴的堵塞；喷嘴口径过大时，如要获得较高的喷雾压力则需要很大的耗气量，在一些气压较弱的深巷道不能适用。一般情况下，在设计喷嘴的时候，为了更加符合井下工况条件，喷嘴进气口接口处直径应与井下接口相匹配，另外，根据资料显示，雾滴粒径在100～110 μm时，除尘效率最高。因此，喷嘴进、出口截面面积之比N取3时，最为合适。

图8 不同N值在不同截面处雾滴粒径

图9 进水孔不同水流速度下的雾滴粒径

如图9所示，以喷嘴进、出口截面面积之比N取3；以进水孔直径为2 mm为固定值，分别测出在进水口处不同水流速度下的雾滴粒径。根据惯例在距喷嘴1000 mm出雾滴与粉尘碰撞效率最高。因此选择在距喷嘴1000 mm处测量雾滴粒径。如图所示，随着进水孔水流速度变大，雾滴粒径呈变大的趋势。在水流速度为22 m/s 时，达到除尘的最佳状态。再增大水流速度，雾滴粒径会逐渐减小。因此，喷嘴进水孔水流速度为22 m/s时，最为合适。