基于CFD 的水雾化锌粉喷嘴性能研究

刘望保，冯 敏，谢清明，唐小同，胡少龙，马 超，郑 钟

（株洲优瑞科有色装备有限公司，湖南株洲 412000）

金属锌粉在冶金和化工行业中常被用来做置换剂，根据制备锌粉的工艺不同，主要有电炉还原熔炼锌粉、空气雾化锌粉和水力雾化锌粉3 种。电炉还原熔炼锌粉工艺所得有效锌的质量分数低于92%，其中还附含一定的有害元素，且对相关操作人员的素质要求很高，在生产过程中容易造成安全事故[1]。空气雾化锌粉是通过压缩空气破碎冷却液态锌的工艺方法制备而成，也存在很多不足，比如锌粉颗粒粗、有效锌含量低，使得该工艺锌的消耗量大、回收率低[2]。而水雾化锌粉是通过使用高压水破碎冷却液态锌而成，避免了前面两种工艺存在的诸多缺陷，其活性好、氧化率低，比表面积大，有效锌质量分数可达到98%以上，锌粉消耗量大大降低,直接和间接的费用也大大降低。1984 年1 月，加拿大电解锌厂进行了水雾化锌粉的规模试验,试验数据表明该工艺可节省40%的锌粉。目前，国内很多大的企业都开始成规模地使用水雾化锌粉工艺，并积累了丰富的生产经验。

株洲优瑞科有色装备有限公司通过大量的工业试验，积累了丰富的试验数据，研制出了一种高压水雾化金属粉末造浆工艺及其造浆系统，已申请了相关的发明专利。雾化喷嘴是水力雾化锌粉工艺的关键设备之一。国内外学者对高压大流量喷嘴的设计已做了大量的研究，目前国内常使用的雾化喷嘴主要有环孔型、组合式[3]。株洲优瑞科有色装备有限公司在吸取国内现有技术的基础上，充分利用CFD分析，对喷嘴的各项性能参数进行不断优化，最终达到综合性能最优，成功研发出了新型高效雾化喷嘴，并已申请了国家发明专利。下文结合该公司的研发实例，对新型雾化喷嘴的性能研究进行分析。

1 雾化喷嘴的结构

研发的新型喷嘴结构如图1 所示。

图1 喷嘴结构示意

如图1 所示：喷嘴射出口采用锥面环孔，其锥面间隙为 h（0.2～0.5 mm），间隙长为 l，射出内夹角为α（30°～60°），锥面下段半径 r1，锥面上段半径 r2。将间隙部分展开，展开形状为一个扇形，如图2 所示。

图2 喷嘴结构展开示意

水泵排量恒定在一个值，则喷嘴工作流量Q 为已知条件，可分别通过式（1）和式（2）计算出压力差ΔP 和出口水流速度V。

2 CFD 分析

水雾化锌粉喷嘴是以水为工作介质的高压大流量雾化喷嘴。为确保喷嘴性能优越，缩短研发设计周期，在结合传统设计方法的同时，该公司对喷嘴内部的流场进行了全面的CFD 分析，研究了喷嘴结构参数锥面间隙和喷射内夹角对其射流性能的影响。

2.1 控制方程

喷嘴内部流道复杂，流动状态为湍流，可用三维Navier－Stokes 方程作为流动控制方程，其连续方程为式（3）、动量方程为式（4）、能量方程为式（5）。

式中：ρ 为液体密度，V 为速度张量。

通过以上方程的控制，有效支撑喷嘴的数值计算和分析。

2.2 网格划分与数值计算

本次分析采用Solidworks Flow Simulation 来进行，由于喷嘴的结构件相对较多，在不影响计算结果的前提下，把雾化喷嘴的结构模型进行了简化，网格划分总网格数为108 410 个，如图3 所示。 喷嘴内水流可视作不可压缩湍流流动，环境压力0.10 MPa，温度293.20 K，锥面间隙h 为0.2～0.5 mm，入口流量范围 18～23 m3/h，动力黏度 0.893 7 MPa·s。 设定好以上初始边界条件后进行求解， 最终进行了198 次迭代计算。

图3 基础网格划分

3 仿真结果

经过多次反复优化间隙h、射出内角α 参数，对二者取值得到如下结论：1）当射出内角α 越小，射出的水流汇聚点离喷嘴越远，水流射出速度急剧衰减，达不到雾化锌粉的目的，这并不是所需要的状态。根据生产工艺的要求， 通过分析得出当射出内夹角为60°时，水流射出汇聚点靠近喷嘴，喷嘴结构紧凑。 2）流量恒定的前提下（泵的额定排量恒定），当间隙为0.3 mm 时，喷嘴射出水流的速度144 m/s，能保持所需要的冲击，喷嘴内腔压力在系统所能承受的范围20 MPa 内，喷嘴的结构最优。当间隙h 继续增大，喷嘴射出水流速度急剧降低，也达不到雾化锌粉的效果。如果继续减小间隙h，射出速度急剧增加，但同时流道内腔压力也急剧增加，超过系统允许压力值；同时由于速度过快，虽然能达到雾化锌粉的效果，但喷嘴的磨损损耗加剧，寿命大大降低，大大增加经济成本[4-5]。优化后，CFD 分析计算得雾化喷嘴内部的两个重要参数射出速度和流道平均总压力如表1 所示。

表1 CFD 分析参数匹配

具体压力场分析和速度场分析如下。

3.1 压力场分析

间隙 h =0.3 mm、射出内角 α =60°,喷嘴综合性能最优,计算得雾化喷嘴内部流道压力场分布如图4所示。 水流在喷嘴内部流道顶部和中间部位型腔直接射流冲击形成了高压区，图5 为压力场的平均总压曲线图。 可以看到，压力值在16 MPa 收敛，出口处压力阶梯递减，在合理的范围内。

图4 喷嘴内部流道压力场

图5 平均总压曲线

3.2 速度场分析

雾化喷嘴的速度场如图6 所示。

图6 速度分布

由图6 可以看出，由于雾化喷嘴入水口是沿内腔流道的切线方向，所以水流会形成涡流效应，出口处的水流速度最快，如图7 所示。 速度在144 m/s 处收敛，从而能保持足够的冲击力，满足水雾化锌粉的工艺要求。

图7 最大速度曲线

通过实验，分析记录数据得到：在最优参数间隙h=0.3 mm、射出内角α=60°情况下，实际测得喷嘴内部压力为15.52 MPa，喷嘴口流速132 m/s。与数值分析的结果相比，实际值偏小，主要是由于零件加工表面粗糙度的变化，以及加工和装配精度的影响所造成的，误差控制在3%～8%内，符合预期。

4 结论

通过全面的CFD 分析，得出以下结论：1）雾化喷嘴出口是锥面环孔，大流量保证连续水幕，高压高速保证一定的冲击力，满足水雾化锌粉工艺要求；2）雾化喷嘴流道设计合理，高压水流流入喷嘴时沿着内腔切线方向，不会因为喷嘴芯造成直接冲击而形成损耗；3）锥面间隙h 的大小是影响出口水流速度和流道内腔压力的关键参数，其数值的选择很关键[6]。

利用CFD 计算得出的喷嘴压力和流速与实测值很接近[7]。株洲优瑞科有色装备有限公司在此次研究过程中充分利用CFD 设计喷嘴，大大提高了设计的效率，缩短研发周期，所研发出的新型高效雾化喷嘴结构合理，在保证合理性能参数的前提下，显著提升锌粉水雾化效果，同时大幅提升了喷嘴的整体使用寿命，目前已申请了发明专利。