一种喷嘴的改进设计及其喷雾性能仿真分析

2021-12-20杨玉昆金向阳白鹏程王莎莎董子昂王加国

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2021年6期

杨玉昆，金向阳，2，白鹏程，施法，王莎莎，董子昂，林晶,2，王加国

(1.哈尔滨商业大学轻工学院，哈尔滨150028；2.虚拟制造技术福建省重点实验室，福建泉州362000；3.黑龙江省乾升冰雪设备制造有限公司，哈尔滨 150028)

目前，在生产与生活中喷雾都得到了广泛的应用.例如空气消毒、空气加湿、喷墨打印、雾化干燥、农药喷洒、农业灌溉、燃料雾化等都用到了液体雾化技术.

雾化是指通过各种方式将连续的液体或液固混合物转变成离散的液滴或固体颗粒的过程[1].喷嘴是将连续流体介质转变为离散液滴的最小工作单元[2],喷嘴种类很多，喷嘴的结构和喷射特点决定了其用途和雾化效果[3].

国内外学者从不同方面对喷嘴雾化效果的影响因素进行了实验分析，例如张永良等[4]通过光学手段对透明玻璃材质的离心式喷嘴内部填充过程进行了可视化监测.刘祺等[5]利用高速摄像机和Labview 软件编辑控制程序协同工作，结合阴影法与纹影法进行光学测量，捕捉了航空发动机离心式喷嘴在高温高压定容弹内的宏观喷雾过程.王家俊等[6]利用利用相位多普勒粒子测量技术(PDPA)测量了沿流向距离离心喷嘴出口30 mm平面上的油雾特性，并利用激光粒度分析仪对试验结果进行了进一步验证.Kim等[7]利用高速摄影和相位多普勒粒子分析仪(PDA)，以水为模拟工质，围绕喷射压力和几何结构的变化对同轴旋流喷注器雾化参数的影响进行了一系列的实验，得到了液膜破碎长度、喷雾锥角、喷注器下游液滴速度分布和索特尔平均直径(SMD)的变化规律.Sivakumar 等[8]利用高速摄影和马尔文(Malvern)激光粒度仪，以水为模拟工质，研究了不同流量下同轴旋流喷注器内外路射流的汇合和分离过程.Alves 等[9]将加入荧光剂的水作为模拟工质，通过制作集液装置研究同轴旋流喷注器入口结构对推进剂混合效率的影响.实验研究也存在一些问题，如图像可读性差，无法读取到更多更细致的有效信息，实验可实施性差等.

许多学者选择利用数值模拟进行仿真分析，陈晨等[10]采用两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了喷嘴内部及近喷口区域流动过程，计算得到的喷雾角和试验结果偏差不超过2%.王凯[11]等基于Coupled Level Set+VOF，计算模拟了两种离心喷嘴的内部流动，分析了喷嘴内的流动过程及特征.宋大亮等[12]利用VOF方法和RNG双方程湍流模型，将喷嘴出口处的一段纳入计算域，利用数值模拟的方法计算分析了全流场的流动特性及喷雾特性.仇涛等[13]利用双方程湍流模型(Realizablek-ε)和组分传输模型对圆形单喷孔中甲烷气体的射流特性进行了仿真，同时分析了喷嘴内的流动特征及喷管外的射流特性.

综上所述，目前对喷嘴雾化性能的研究主要集中在对传统喷嘴的固定结构进行实验和仿真分析.然而对于结合各类喷嘴的特性进行结构改进设计并分析比较其喷雾特性并不多见.虽然有很多学者对离心式喷嘴有研究，但离心喷嘴的旋流结构会产生什么影响，雾化性能差异有多少，很少人做出研究与比较.本文结合旋流雾化喷嘴的结构特征对既有喷嘴进行结构改进设计，设计增加了旋流槽的结构，利用仿真方法进行了数值模拟，分析了经改进前后两种喷嘴的流动机理与雾化性能，为喷嘴的结构的设计与喷嘴应用的选型提供了理论依据.

1 数学物理模型

1.1 控制方程

质量守恒方程[14]：

能量守恒方程[15]：

1.2 湍流模型

湍动能k运输方程[16]:

Gb-ρε-YM+Sk

湍流耗散率ε方程

2 计算模型

2.1 三维模型及网格划分

本文所研究的喷嘴由喷嘴外部构件和内部构件两部分组成，如图1所示.喷嘴内部流域的结构由喷嘴内阀芯的结构决定，根据旋流雾化喷嘴的工作原理，在该喷嘴原有结构基础上，在喷嘴的内部阀芯的后端增加3个旋流槽，如图2所示.采用ICEM.CFD软件进行网格划分，网格类型采用非结构网格，并对喷嘴内流域的关键部分进行了网格细化处理，两种喷嘴的模型网格数量都在9×106左右，网格细化处理结果如图3所示.

图1 喷嘴结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the nozzle structure

图2 改进喷嘴内部构件结构示意图Figure 2 Schematic diagram of the internal structure of improved nozzle

图3 网格划分细化处理Figure 3 Mesh refinement

2.2 边界条件及计算工况

模型采用VOF模型和双方程湍流模型(Realizablek-ε)，采用压力基隐式求解器，入口和出口采用压力边界条件入口压力为8 MPa,表压为0 MPa，以水作为喷射工质，向充满空气的流域内喷射.

3 仿真分析

3.1 喷嘴内流场仿真分析

基准喷嘴及改进喷嘴的嘴内压力云图如图所示，图4(A)为基准喷嘴内的压力云图，图4(B)为改进喷嘴内的压力云图，两喷嘴内压强的变化规律都是从喷嘴入口到喷嘴出口逐渐减小，但通过比较两图的legend可以发现，改进喷嘴内的压强整体上远小于基准喷嘴内的压强.

图4 喷嘴内压力云图Figure 4 Pressure contours in improved nozzles

两种喷嘴内的流线图如图5所示，其中，基准喷嘴内的流线图主视图和左视图如图5(A)、(B)所示，改进喷嘴内的流线图主视图和左视图如图5(C)、(D)所示.通过比较可以发现，基准喷嘴内接近出口处的涡流大且数量少，而增加旋流槽结构的改进喷嘴内部，接近出口处的涡流数量变多，涡流更小.

图5 喷嘴内流线图Figure 5 Streamline in nozzle

两种喷嘴的出口横截面水平直径方向上在不同时刻t=0.016 s，t=0.020 s，t=0.025 s，t=0.030 s的液相速度如图6所示.

图6 喷嘴出口横截面水平直径液相速度分布Figure 6 Liquid velocity distribution in the horizontal diameter direction on the cross section of nozzle outlet

两种喷嘴的出口速度最大值差异不大，但出口速度在水平线方向上的波及范围上差异明显.基准喷嘴的出口速度在水平线上的波及范围在-0.000 3～0.000 2之间浮动，改进喷嘴的出口速度在水平线上的波及范围在-0.000 5～0.000 5之间，波及范围更广.且通过比较发现，改进喷嘴的速度最大值分布也更有规律，速度最高点分布在喷嘴出口水平线中心偏右侧，这种现象与改进喷嘴增加的旋流槽的旋向有关.

两种喷嘴的出口流量随时间变化的对比情况如图7所示.通过对比发现，在喷射前期，改进喷嘴的流量的波动更为频繁，每次波动前后的流量差值更大，基准喷嘴的流量比改进喷嘴的流量更早达到平稳状态，平稳状态时两种喷嘴的流量值维持在相同水平.

图7 喷嘴流量Figure 7 Rate of flow of nozzles

3.2 喷嘴外流场仿真分析

两种喷嘴外流场的流线图如图8所示，其中图8(A)是基准喷嘴的外流场流线图，图8(B)是改进喷嘴的外流场流线图.通过观察比较可以得出，基准喷嘴喷雾场中的射流更加集中，射程更远.而有旋流槽结构的改进喷嘴的喷雾场中的射流整体上来说更为分散，喷雾锥角更大，并且在喷雾场的中间位置射流以加速度的趋势向周围方向完全分散开.

两种喷嘴喷雾场内随时间变化的速度云图如图9所示.

图8 喷雾场内流线图Figure 8 Streamline in spray field of nozzle

图9 喷雾场中的速度云图Figure 9 Velocity distribution in spray field

其中9图(A)列为基准喷嘴的速度云图变化规律，图9(B)列为改进喷嘴的速度云图变化规律.时间分别为t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s、t=0.026 4 s四个时刻.经观察对比可以发现，在t=0.016 8 s时刻液体已经由基准喷嘴出口喷出，而此时改进喷嘴内的液体尚未喷出.在t=0.016 8 s、t=0.02 s、t=0.023 2 s时刻，基准喷嘴的喷射速度始终高于改进喷嘴的喷射速度，而且射程也高于后者.当达到t=0.023 6 s时刻时，两种喷嘴的喷射速度和射程基本持平，但相比于基准喷嘴，由改进喷嘴喷出的液体的速度中高速度区域明显偏大，由此可见，在喷射达到稳定状态时，改进喷嘴的雾化锥角要大于基准喷嘴的雾化锥角.

两种喷嘴喷雾场的中轴线上的液相的速度关于时间变化的规律如图10所示，其中图10(A)是基准喷嘴的喷雾场中轴线速度变化图，图10(B)是改进喷嘴的喷雾场中轴线速度变化图.通过观察可以发现，在t=0.016 s时刻液体由喷嘴出口喷出，但基准喷嘴的出口速度远高于改进喷嘴的出口速度，说明相同条件下液体由基准喷嘴出口先喷出.基准喷嘴的出口速度在t=0.016 s时刻起已经达到最大值且维持稳定，改进喷嘴的出口速度经由t=0.016 s，t=0.018 4 s，t=0.020 8 s时刻的加速后，在t=0.023 2 s达到最大值并基本稳定，且经过对比发现，在不同时刻，基准喷嘴出口速度最大值普遍高于改进喷嘴的出口速度最大值.另外，由图10(A)、(B)的对比可以看出，在t=0.016 s、t=0.018 4 s、t=0.020 8 s、t=0.023 2 s时刻基准喷嘴喷雾场中轴线上的喷射距离比改进喷嘴的大，且在t=0.023 2 s时刻已经达到了模型设定的最远距离D=0.5 m处，比改进喷嘴早0.002 4 s.但在t=0.025 6 s之后喷射速度达到稳定状态时，在流场中轴线上，改进喷嘴的喷射速度在中后段普遍高于基准喷嘴的喷射速度，且速度波动明显.