压力旋流式雾化喷嘴高压力雾化流场特性研究

2021-10-28陈锦琛李风雷肖志瑜

化工机械 2021年5期

陈锦琛李风雷肖志瑜

（华南理工大学国家金属材料近净成型工程技术研究中心）

压力旋流式雾化喷嘴（Pressure-Swirl Atomizer，PSA）结构简单、雾化效果好且成本较低，被广泛应用在农业、化工、工业生产及动力设备等行业领域［1，2］。在实际使用过程中，液体在压力作用下通过螺旋管道或切向管道进入喷嘴的旋流室，沿旋流室壁面以一定的切向速度做高速旋转运动，喷嘴中心处则在高速旋流的影响下产生了压降，从而把外部的空气卷吸进喷嘴内部并形成空气芯，出口处的液体受空气芯与壁面的挤压而形成空心的锥形液膜，并由喷嘴出口高速喷出，高速喷出的液膜在外部空气扰动等因素作用下继续发生破碎形成雾滴，完成液体的雾化［3］。

喷嘴的雾化特性研究中，常用雾化颗粒的粒径分布、喷射长度、雾滴速度及雾化锥角等评定喷嘴的雾化效果［4］。其中，雾化锥角测定简单，实际生产中可以据此快速表征喷嘴雾化效果的好坏，一般来说，随着雾化锥角的增大，雾滴的分布散射面增大，雾滴与空气接触面积增大，雾滴的分布更加集中和均匀，对于雾化效果的提升具有重要作用。以喷雾干燥过程为例，喷射液体的分布散射面增大，从而提高物料在喷射过程中的分散度，加快物料的干燥速度，减少颗粒之间的粘连，以保证最终成品颗粒的粒径分布和颗粒球形度。

近年来，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展和应用为雾化工程领域的设计和生产带来了极大的便利。针对压力旋流喷嘴的内流场特性，王晓琦等采用实验与数值模拟相结合的方法，对喷嘴内部流场特性进行了分析［5］。夏永伟等通过数值模拟研究结合改进的雾化半角计算方法，分析了单进口压力旋流喷嘴的结构尺寸对雾化半角的影响［6］。采用CFD软件进行雾化过程的仿真分析，可以实现雾化过程中内部和外部流场参数的可视化、观察雾化过程中流体的发展情况并对雾化特性进行一定程度的预测，大幅降低了生产过程中因结构设计和重复实验带来的成本提升。

目前，在对压力旋流喷嘴进行数值模拟的过程中，研究者采用k-ε模型、k-ω模型、RSM及大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）模型等湍流模型进行相关的研究。Baharanchi A A等利用VOF结合不同湍流模型的方法对PSA雾化场特性进行研究，发现RNG k-ε模型在保证模拟精度的同时，花费的计算成本也有所降低［7］。Madsen J等通过LES结合VOF的方法对一种压力旋流式喷嘴进行了仿真模拟，模拟结果与实测的喷嘴速度分布吻合良好［8］。Vashahi F和Lee J K通过LES结合VOF的方法模拟了喷嘴内部的空气芯的形状，对空气芯的形成受流场影响的机理进行了一定的解释［9］。赵立新等则通过RSM模型对油水分离用水力旋流器进行了数值模拟，计算了旋流器的内部速度分布规律［10］。 Zhao W J等通过RSM与k-ε模型进行了1 MPa压力下气雾化喷嘴的数值模拟对比分析，发现RSM模型的结果更接近实测值［11］。综观雾化工艺参数的研究方向，目前的研究大多集中在较低工作压力（0～2 MPa）下的雾化过程。笔者针对一种应用在石化行业的压力旋流式雾化喷嘴，实际生产过程中它所需的工作压力较高（2～8 MPa），基于CFD流体仿真软件Fluent，采取VOF方法结合RSM湍流模型对生产过程中因压力的改变而造成流体压力场和速度场的变化等进行了仿真计算，并根据仿真计算得到的一系列参数对不同生产压力下的雾化锥角进行计算和测量，为实际生产应用中压力参数的选择提供一定的指导。

1 喷嘴物理模型的建立

1.1 喷嘴几何结构

笔者所选用的压力旋流式雾化喷嘴几何结构如图1所示。喷嘴整体由4部分组成，从上往下依次是浆料注入室、椭圆入口管道、旋流室和浆料喷射出口。

图1 压力旋流式雾化喷嘴的几何结构

喷嘴各部分的主要尺寸如下：

椭圆入口管道大径d13 mm

椭圆入口管道小径d22 mm

旋流室入口直径Ds20 mm

旋流室过渡圆弧半径R 20 mm

旋流室高度Ls10 mm

出口直径do2.8 mm

出口厚度Lo1 mm

其中，入口管道与入口平面的夹角为50°，目的是使浆料获得一定的切向速度进入旋流室做旋绕运动。

1.2 构建物理模型及网格划分

为了更好地表现并便于对流体在喷嘴内的旋转运动进行计算，采用三维模型对流体运动进行了仿真分析，仿真软件为商用CFD软件Fluent。图2展示了数值模拟过程中所建立的三维流体域模型和模型的网格划分。计算中采用的流体区域忽略了流体进入注入室部分，仅考虑流体从入口管道进入旋流室到喷出雾化的过程。三维流体域模型包括去除了注入室部分的喷嘴内部流体域和喷嘴以下半径10 mm、高10 mm的圆柱形外部流体域。采用四面体非结构化网格对流体域进行网格划分，其中对喷嘴出口处的网格再进行一定程度的细化。一般认为，划分的网格尺寸越小、数目越多，计算的结果会越精确，为此分别对划分网格数为15万、30万、45万、60万、90万、120万的模型进行了网格独立性研究，结果表明，网格数目增加到45万以后，计算结果基本稳定不变，出于对计算时间、计算资源成本与计算精度的综合考量，最终确定仿真计算的网格数目为451 575，网格平均质量为0.837 34，平均偏斜度为0.228 34。

图2 流体域的三维几何模型和网格划分情况

1.3 边界条件的设置

流体域的边界条件设置如图3所示，确定4个管道入口界面为压力入口边界类型，入口压力设置为工作压力，入口第二相成分设置为1（表示入口处全是第二相部分）；确定外部环境边界为出口，类型为压力出口边界，出口压力设置为0（表示与操作压力即外部大气压力101 325 Pa相等），并设置出口第二相回流为0；其余面设置为壁面边界，采用无滑移壁面条件设置。

图3 流体域边界条件

2 喷嘴数值模型的建立

2.1 多相流模型

表1 各相材料属性

在此模拟计算过程中，先给定以下假设：流体不可压，气体与液体之间不发生物理或化学反应；流动过程中忽略重力的影响；流动过程在绝热环境中进行，不存在能量交换。

在此假设基础上，给出本次模拟控制方程的数学模型［3］。

连续性方程：

ρ——密度。

动量方程：

综上所述，通过对H公司的某项电网工程进行分析，H公司某项电网项目在内部控制经济风险评估时使用层次分析法、模糊综合评判则进行判断，并且取得了较为精准的结果。通过一系列数值可见，对于一个项目来说，任何看似不重要的风险如果不加以预防，那么其很容易成为主要的风险，从而对企业造成不可估量的损失。H公司通过对层次分析法、模糊综合评判则有效的对自身的经济风险进行有效评估，一定程度上降低了自身受经济风险影响的程度。而我国众多国有企业更应该借鉴H公司的经验，通过内部控制对自身的经济风险进行相应评估，进而确保国有企业的发展。

p——压强；

t——时间；

μ——流体动力粘性系数。

体积分数方程：

式（3）中等号右边项通常默认其值为0，故式（3）可写成：

δj——单元中j相的体积分数。

气液两相流中单元物质属性的约束方程：

其中，下标g、l、v分别代表空气相、液相、水蒸气相。

2.2 湍流模型

计算采用RSM模型，RSM模型是目前精度最高的湍流模型，与其他雷诺平均方程（RANS）湍流模型相比，RSM通过加入求解所有雷诺应力方程，避免了各向同性的涡黏假设，能更好地描述复杂的旋转流动。

2.3 求解方法

对求解过程中压力速度耦合方式采用SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法，压力项采用PRESTO! 离散格式，动量项采用二阶迎风格式，体积分数项采用Compressive离散格式，湍动能项、湍粘系数项和雷诺应力项采用一阶迎风格式。为保证计算结果的准确性、提高计算精度和加快收敛速度，先设置整个流体域内第二相水的成分为0，通过稳态计算的方法获得初始稳定流场后，以此作为后续计算的初始值进行瞬态计算。瞬态计算过程中时间步长设置为0.2 ms，每步迭代计算40次，计算进行到30 ms时第二相流动形态基本不再发生变化，认为此时流体发展完全，终止计算。

3 结果与讨论

3.1 流场发展过程

压力旋流式雾化器的水流雾化过程以空气-水流两相分布情况表示，如图4所示。图5为8 MPa工作压力下，喷嘴轴向截面的内部压力分布云图。由图5可以看出，喷嘴内部的压力变化呈现出沿喷嘴中心下降的变化趋势。水流经压力泵入获得沿管道方向的速度，在旋流室中迅速发展成绕中心线旋转的流动运动，由于惯性力的作用，水流在不断往旋流室中心填充的过程中获得加速，同时水流的高速流动使喷嘴内部产生压降，甚至出现了负压。外部空气在压力的作用下产生回流，空气被向上卷吸，进入到喷嘴内部，形成了空气芯。最终到达喷嘴出口的水流由于惯性和空气芯的共同作用，形成以一定角度喷射而出且有一定厚度的锥形液膜，液膜进入外部空气环境后受空气扰动等因素的作用而达到雾化条件后完成雾化。通过对比仿真结果与实验结果可以发现（图6），仿真结果下的雾化锥角大小为80°，而实验测量所得的雾化锥角大小为68.5°，结果误差值为16.79%。

图4 水流雾化发展过程

图5 8 MPa下喷嘴轴向截面的压力分布云图

图6 雾化锥角的仿真结果与实验结果对比

为了更好地理解水流在喷嘴内的流动情况，从内部流场的迹线分布（图7）和水流速度矢量分布（图8）可以直观地看出喷嘴内部水流的运动发展趋势。水流从入口管道刚进入旋流室时，由于流动空间突然增大，水流的速度相对下降；而沿径向上，则因惯性力的作用往中心处不断加速。同时，因为空气芯的存在，到达出口的水流通过面积被空气芯挤压而减少，水流在此处得到进一步加速。

图7 内部流场的迹线分布

图8 速度矢量分布云图

3.2 工作压力对流体速度分布的影响

图9展示了不同工作压力下，喷嘴出口处沿径向的速度分布曲线。从整体来看，由于水流在喷嘴内做旋转运动，具有轴对称性，水流的速度分布也关于轴线呈对称关系，符合水流的运动规律。另一方面，在考虑速度分布对称性后，可以看到出口处的速度分布从中心往壁面均呈现先下降后急剧上升，在接近壁面时再剧烈下降为0的趋势，且存在分别位于出口中心处和靠近出口壁面处的两个速度峰值。出口中心的速度表现的是该处存在被往上卷吸的空气产生的速度，位于中心的速度越高，说明空气被卷吸的强度越大，靠近壁面处的速度峰值则来自喷射的水流。同时可以发现，随工作压力的提高，水流的射出速度也提高，从2～8 MPa时最高射出速度分别为48.81、61.70、71.19、77.30、84.77、91.95、98.73 m/s；工作压力每提升1 MPa，射出速度分别提高26.41%、15.38%、8.58%、9.66%、8.47%、7.37%，可见速度的提高幅度在工作压力达到4 MPa后开始趋缓。

图9 不同工作压力下喷嘴出口处沿径向的速度分布曲线

将水流空间速度分解成切向速度、轴向速度和径向速度3个分量，以便于理解速度因素在水流喷射时所起的作用。如图10所示，可以看出水流在喷嘴出口往外喷射时，随工作压力的增大，切向速度和轴向速度都有明显的提升，对径向速度的提升作用不大，说明水流射出运动由切向速度与轴向速度所主导，径向速度的影响较小。

图10 各工作压力下出口处速度分量及第二相（水）分布曲线

3.3 工作压力对雾化锥角的影响

针对所得仿真计算结果，对两相分布截面进行直接测量获得雾化锥角的大小。另外，根据文献［6］的研究，利用水流在出口处的喷射速度分量，还可以对出口雾化锥角进行一定程度的预测计算：

式中 va——轴向速度；

vr——径向速度；

vt——切向速度；

αi——i单元处水流喷射角度。

根据以上方法得到关于不同工作压力下的雾化锥角变化曲线，如图11所示。对于仿真计算结果，两种方法获取的雾化锥角大小变化曲线比较接近。随着工作压力的变化，喷嘴雾化锥角的大小在80°左右波动，说明工作压力对雾化锥角大小的影响较小，其中在4 MPa和6 MPa时得到最大测量值分别为79°和80°。这是由于影响雾化锥角的切向速度与轴向速度在工作压力的提高下同时得到提升，各速度分量的比重基本保持不变，宏观表现为雾化锥角的大小趋于稳定，这与文献［13，14］的研究结果相一致。其中通过计算所得的结果始终比直接测量所得的雾化锥角要大，结果最大相差7°。这是因为计算过程中所采用的各单元速度为喷嘴出口平面各处的速度，而一旦喷射水流离开喷嘴，必然还会受到外部环境影响（如空气摩擦）而出现速度损失，故测量得到的雾化锥角必定会小于计算所得结果。