喷嘴组在变压力工况下雾化特性数值模拟

吴正人，周鑫宇，张亚萌

喷嘴组在变压力工况下雾化特性数值模拟

吴正人，周鑫宇，张亚萌

（华北电力大学 动力工程系，河北 保定 071003）

为了研究在不同喷雾压力下喷嘴组的雾化特性，采用GAMBIT软件进行建模，并利用FLUENT软件分别模拟了在不同喷雾压力下（1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa）喷嘴组的雾化情况。结果表明，在其他条件均不改变的情况下，随着喷雾压力变大，液滴的索特平均直径（）变小，液滴的速度变大，且液滴大小分布整体向小的方向偏移，液滴速度分布最密集的区间向速度更大的方向偏移；液滴的在喷嘴附近迅速增大，随着液滴远离喷嘴，的大小趋于平稳；不同喷雾压力下的3个雾化场分别在其各个喷嘴的中心处液滴速度达到最大，其次是干涉区的液滴速度较大。

喷雾冷却；雾化特性；喷嘴组；压力；数值模拟

0 引言

喷嘴雾化是指当液体在高压的作用下,通过高速喷射出喷嘴进入到静止或低速气流中，得到雾化的效果。喷雾冷却通过高压将工质雾化成细小液滴喷射到热沉表面。与传统冷却方式相比，喷雾冷却的换热能力更强，具有良好的应用前景[1]。喷雾冷却具有可以控制冷却终点温度、被冷却表面温度均匀、较小的工质需求量、临界热流密度高、冷却时间短、与固体表面没有接触热阻等诸多的优点[2]。喷雾冷却的效果很大程度上取决于喷嘴的雾化特性，而喷雾压力是决定雾化特性的重要因素之一，故研究喷雾压力对喷嘴雾化特性的影响具有重要的现实意义[3]。

围绕喷嘴雾化问题，国内外学者开展了多方面的研究。文献[4]针对喷嘴雾化空间的液滴分布进行了深入的研究，分别对喷嘴雾化的轴向和径向雾化空间的液滴分布状况进行了理论建模与分析，提出了基于雾化空间雾化液滴测量的雾化均匀性判据。文献[5]通过CF数值模拟，研究了气液相对速度、雾化锥角及液体表面张力对液滴D32的影响。文献[6]采用喷嘴破碎模型对不同喷嘴进行了模拟。文献[7]基于CFD研究了喷嘴内壁微振荡结构对喷嘴出口速度的影响。文献[8]研究了喷嘴在不同气液比下，雾化粒径、雾化角度及雾化覆盖直径的变化规律。文献[9]采用数值模拟方法研究了两相喷嘴的喷雾特性及气体入射角度、喷嘴水平间距对喷雾特性的影响。文献[10]采用实验和数值模拟相结合的方法，对旋流雾化喷嘴内部气液两相流动特性进行研究，揭示了旋流雾化喷嘴内部流动机理，有效预测了雾化特性。文献[11]为研究旋芯雾化喷嘴的喷放特性，通过建模仿真了单孔旋芯雾化喷嘴内流场及外流场，研究分析了内流场的雾化机理及外流场的雾滴分布特性，并结合实际喷放验证了仿真的准确性。文献[12]针对压力旋流喷嘴进行模拟仿真以研究雾化压力对雾化效果的影响，得到了在压力旋流喷嘴的雾化场中，随着喷雾压力的增加，雾滴轴向速度、径向速度的变化情况。

目前，喷嘴雾化的研究成果在许多领域应用广泛。例如：对于三喷嘴蒸汽喷射器振动分析，三喷嘴干煤粉气化炉点火烧嘴的优化与改进；多喷嘴油气润滑滑动轴承的研究等。

当前研究的喷嘴雾化大多基于单个喷嘴，对多个喷嘴的雾化特性研究还不够丰富，本文基于3个喷嘴分别模拟了不同的压力下喷嘴组雾化（液滴浓度、直径、速度、三喷嘴干涉区）的情况。

1 数值模拟方法

1.1 物理模型、网格划分

本文模型模拟的空心锥压力旋流喷嘴雾化锥角为60°、孔径为0.38 mm。

数值模拟选取如图1所示的计算区域。对于三喷嘴采用长方体计算区域，使用Gambit软件对计算区域进行建模：对于三喷嘴的模拟，长方体的计算区域长宽高分别为25 mm×25 mm×10 mm，3个喷嘴彼此之间的直线距离为6 mm，3个喷嘴连线组成等边三角形的重心在计算域上表面中心处。

图1 三喷嘴计算域

本文以液滴索特平均直径为判据，对三喷嘴长方形计算域从3万至50万的网格数量进行验证。当网格数为40万时，液滴的索特平均直径随网格数的变化十分微小。故最终三喷嘴长方体计算区域的网格数取40万。

1.2 边界条件及数值格式

本文采用FLUENT提供的压力旋流喷嘴模型（pressure-swirl atomizer），喷雾张角60°。初始时刻，计算域中充满静止空气。计算域底部为绝热、无滑移壁面，四周边界设为压力出口，上表面设为压力出口，且均采用逃逸边界条件，壁面与环境温度为25 ℃。在FLUENT提供的各种湍流模型中选取Realizable模型，使用耦合算法，动量与压力采用二阶迎风格式。喷嘴开始喷雾后，组分包括水与空气。考虑液滴的破碎聚合、气液两相之间的耦合，破碎模型使用泰勒类比破碎模型（TAB），激活动力摇曳模型并考虑重力影响，液滴轨迹使用随机漫步模型。使用非稳态计算，步长为10–5s。

当液滴变化在5%以内并且计算区域出口质量的误差小于1%时，即认为计算收敛。

1.3 控制方程

质量守恒方程：

动量守恒方程：

式中：为流体动力粘度，Pa·s；为源项。

组分运输方程：

当液滴在空气中运动时，常伴随蒸发现象。使用组分运输模型可以描述水蒸气与空气的变化。组分运输方程如下：

液滴喷射过程中的动量运动方程：

颗粒轨迹方程：

2 模型可靠性验证

若使模拟结果正确，首先要确定模型的可靠性。检验模型可靠性的依据之一为液滴直径。选取文献[13]的实验结果作为本文数值模型可靠性检验的依据。模拟条件如表1所示，与实验条件相同。

表1 模拟中使用的实验条件

模拟结果与实验结果的对比如图2所示，直观地表示了误差变化范围。

图2 实验结果与模拟结果对比

实验结果与模拟结果有误差的原因有两方面：一是FLUENT不可能实现对现实条件的完全模拟，故对实际问题做了一定程度上的简化；二是实验环境条件不同与不可避免的测量误差。由图2和表1可得，模拟值与实验值的误差均在10%以内，误差较小且合理，说明本文的数值模型可靠。

3 三喷嘴模拟结果及讨论

3.1 三喷嘴干涉

对三喷嘴雾化场进行数值模拟，计算区域如图1所示，喷嘴呈等边三角形布置。对喷雾压力为1 MPa、1.25 MPa、1.5 MPa 3种工况进行模拟。

三喷嘴雾化效果如图3所示。3个喷嘴的雾化场相互干扰使液滴之间更容易发生碰撞与聚合。因为喷嘴之间的直线距离为6 mm，雾化锥角为60°，经计算得到大约在距计算域上表面5.2 mm处，三喷嘴的雾化场开始交汇并相互干涉。DPM浓度分布云图如图4所示。由图4可知，因为雾化场相互干涉的影响，喷雾的整体分布不再均匀，干涉区的液滴浓度明显升高，但干涉区液滴浓度随着压力的升高而降低。

图3 三喷嘴雾化效果图

图4 距喷嘴5.2 mm处DPM浓度分布云图

3.2 喷雾压力对液滴直径、速度的影响

对三喷嘴雾化场模拟得到各压力下的液滴与速度变化规律，如图5所示。随喷雾压力的增大，液滴减小、速度增大。喷雾压力越大，气体与喷嘴出口处液膜之间的相对速度也越大，液膜受到的剪切力更大，液膜变薄，最终液滴的速度变大。液滴速度增大，增大了雾化的能量，有利于液滴的破碎，使液滴能够破碎成更小的颗粒，所以液滴减小。

图5 压力对三喷嘴液滴SMD与速度的影响

液滴直径的分布如图6所示。由图6可见，在3种压力下，液滴直径的分布趋势基本相同，大致表现为正态分布。随着压力增大，液滴直径集中区间向更小的方向偏移。图7为各压力下液滴的速度分布图，可以看出液滴的速度主要分布在1～2 m/s处，以压力1.25 MPa条件下的模拟结果为例，速度在5 m/s以上的液滴数量较少，液滴速度大多集中在1～4 m/s。另外也可以从图7中看出，喷雾压力越大，液滴速度分布最密集的区间向速度更大的方向偏移。

图6 各压力下液滴直径分布

图7 各压力下液滴速度分布

液滴在雾化场轴向分布如图8所示。液滴在刚进入雾化场时其较小，随后液滴的在喷嘴附近迅速增大。随着液滴远离喷嘴，的大小趋于平稳。

图8 液滴SMD轴向分布

图9是距喷嘴8 mm处截面速度云图，从图中更能直观地看出液滴速度随喷雾压力的增大而增大。3个雾化场各自的中心处液滴速度最大。相比其他区域，干涉区中空气的卷吸作用弱，质量小、速度大的液滴不容易被卷吸走；而且液滴相互碰撞、聚合变大，液滴受到重力影响大，所以干涉区的液滴速度也比较大。

图9 距喷嘴8 mm处截面速度云图

4 结论

本文研究了在不同喷雾压力下（1 MPa、 1.25 MPa、1.5 MPa）三喷嘴组的雾化特性，得到了如下结论：

（1）喷雾压力增大，液滴速度增大。喷雾压力增大，液滴的减小。

（2）液滴在刚进入雾化场时其较小，但在喷嘴附近迅速增大，随着液滴远离喷嘴，的增长速度变缓趋于平稳。

（3）不同喷雾压力下的3个雾化场，分别在其各个喷嘴的中心处液滴速度达到最大，其次干涉区的液滴速度较大。

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Numerical Simulation of Atomization Characteristics of Nozzle Group under Variable Pressure Condition

WU Zhengren, ZHOU Xinyu, ZHANG Yameng

(Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In order to study the atomization characteristics of nozzle group under different spray pressures, the software was modeled by GAMBIT, and the atomization of spray nozzles under different spray pressures (1 MPa, 1.25 MPa, 1.5 MPa) was simulated by FLUENT software.The results show that when the other conditions do not change, the spray pressure increases, the Sauter mean diameter () of droplet becomes smaller, the droplet velocity increases, and the droplet size distribution shifts to a smaller direction. The densest interval of droplet velocity distribution is more offset to the greater velocity. Theof droplet near the nozzle increases rapidly, and tends to be stable as the droplets are far away from the nozzle. The droplet velocity reaches the maximum at the center of each nozzle at the three atomizing fields under different spray pressures, followed by the larger droplet velocity in the interference zone.

spray cooling; atomization characteristics; nozzle group; pressure; numerical simulation

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.009

TK05

A

1672-0792(2021)08-0067-06

2021-02-18

吴正人（1973—），男，副教授，主要研究方向为流体动力学理论及应用；

周鑫宇（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为流体动力学理论及应用；

张亚萌（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为流体动力学理论及应用。