空气雾化喷嘴对胶雾化效果的模拟研究

关玉明，韩永静，黄思硕，韩晓耀

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

1 引言

日常生活中人们对电子产品的需求量越来越大，电子产品在生产时需要涂覆防护胶达到防潮绝缘的效果，合理的喷涂参数不仅涂覆的均匀还节省原材料［1］，所以对聚氨酯防护胶的雾化效果进行研究，找到胶的雾化规律使喷涂的效果达到最好。国内外很多专家对水的雾化做了多方面的实验及仿真研究，已取得相当精确和可参考的结果，但对胶雾化效果的研究还比较少。对空气雾化喷嘴的研究由来已久，文献［2］认为液体与气体间的空气动力作用，在液体射流表面产生了不稳定波，最终导致了液体的雾化；文献［3］研究了两通道圆柱射流的雾化过程，认为液体表面张力、气体速度等是影响雾化质量的重要因素，并在实验数据及雾化情况观察分析的基础上得出了SMD的预测公式；文献［4］对两种不同混合形式的空气雾化喷嘴进行了一系列实验研究，总结了空气压力、航空煤油压力和混合形式对喷雾角和速度场的影响规律；文献［5］分析了喷嘴的运行参数和结构参数对喷雾特性的影响规律，并得到喷嘴出口下游截面的雾化粒径呈轴对称分布的规律；文献［6］对液体射流在內混式空气助力喷嘴上的雾化特性进行了数值模拟和试验研究，得到了液体射流的雾化特性，并证明当压缩空气升高到一定值时，再继续增加气体压力时雾化液滴的SMD值变化不明显，液体射流的雾化效果不会明显改善；文献［7］验证了使用DPM模型中的空气辅助雾化喷嘴模型可以较好地模拟喷嘴出口射流的破碎及雾化情况，且雾滴场形状、雾化粒径的大小均与实际雾化过程中的非常接近。对喷雾场进行研究获得雾化区内胶滴的分布情况，统计分析喷嘴出口下游不同距离截面上的粒径百分数分布和平均雾化粒径，总结胶滴平均雾化粒径与速度、距离、质量流率等参数之间的关系，为后续试验工作提供依据。

2 建立模型

2.1 计算模型

2.1.1 湍流模型

雷诺数能反映流体的流动情况，其越小表示惯性影响越小，液体的粘性作用相对越大；雷诺数越大，则反之［8］。表达式为：

式中：ρ—流体密度；u—流速；L—特征长度；μ—粘度。

对于内部流动，雷诺数高于2300为湍流，低于2300为层流；外部流动沿表面位置分布的雷诺数＞500000为湍流，沿障碍物的雷诺数大于20000为湍流［8］。经计算胶雾化时的状态为湍流。

Realizable k-εRealizable k—ε湍流模型对平面和圆形射流扩散速度的模拟更加精确［9］，其中，端流动能k和湍流动能耗散率ε方程如下：

其中，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2C2=1.9σk=1.0σk=1.2。

2.1.2 雾化喷嘴模型

Fluent软件中提供了五种雾化喷嘴模型，分别为：平口雾化喷嘴（plain—orifice atomizer）、压力旋流雾化喷嘴（pressure—swirl atomizer）、靶式雾化喷嘴（flat—fan atomizer）、空气辅助雾化喷嘴（air—blast atomizer）、气泡雾化喷嘴（effervescent atomizer），可从中选择最合适的雾化喷嘴模型对实际的喷雾过程进行模拟。空气雾化喷嘴对高粘度的液体有很好的雾化质量［10］，在模拟过程中选择空气辅助雾化喷嘴模型，以空气为雾化介质，对聚氨酯胶的雾化效果进行研究。

2.2 几何模型和计算区域尺寸

为了研究喷嘴对胶的具体雾化效果，需要得到喷雾场内胶滴的分布情况，选喷嘴内部混合区以及出口下游的雾化区为计算区域，简化后的三维模型，如图1所示。喷孔的大小为实际用的喷嘴尺寸，雾化区为直径150mm，长200mm的圆柱。

图1 计算区域模型Fig.1 Calculation Area Model

2.3 雾化粒径

液滴粒径的大小和分布是雾化程度很重要的评判标准，不同粒径对应的雾化等级［11］，如表1所示。

表1 液滴粒径等级表Tab.1 Droplet Size Scale

3 网格划分及仿真过程

3.1 模型的网格划分

网格划分是很重要的一步，为了精确地得到喷嘴出口区域的结果，将混合区的网格局部加密，而雾化区相对稀疏，划分好的网格模型，如图2所示。

图2 计算区域网格划分Fig.2 Computational Area Meshing

3.2 仿真过程

先对连续的空气流场进行仿真，当连续相计算收敛之后再加入离散的液体，然后两相耦合起来求解喷雾场［12］，喷雾场模拟的具体过程如下：

（1）打开DPM模型选Interaction with Continuous Phase、Unsteady Particle Tracking，创建喷射源选空气辅助雾化喷嘴模型，具体参数设置，如表2所示。

表2 喷射源参数设置Tab.2 Injection Source Parameter Settings

（2）定义材料参数，加入的离散相的相关参数，如表3所示。

表3 胶相关参数设定表Tab.3 Glue Related Parameter Setting Table

（3）入口边界条件设置为速度进口，出口设置为压力出口数值为0帕，粒子的出口和壁面都设置为escape。

4 仿真结果及分析

4.1 气相流场的仿真结果

对计算区域的气相流场进行仿真，压缩空气分别以100M/s，125M/s，150M/s三种速度射流进入计算区域。

4.1.1 气相流场速度分布图

从图3可知：气流从喷嘴的混合区进入雾化区后在计算区域的轴线附近呈圆柱状分布，在喷嘴混合区及出口处速度达到最高，且混合区出口附近气流锥角逐渐增大，沿轴线距出口越远速度越低。不同的气相进口速度对计算区域的流场结构没有太大影响，只是对应速度的大小稍微改变。

图3 计算区域的速度云图Fig.3 Speed Map of the Calculation Area

4.1.2 气相流场压力分布图

从图4可知不同气相进口速度下，计算区域受到的压力值会有所不同，但在经过混合区时压力都是不断减小，不同的气相进口速度基本不会对计算区域的流场结构产生影响。

图4 计算区域的压力云图Fig.4 Pressure Map of the Calculation Area

4.2 气液两相流场的仿真结果

当气相流场计算收敛后，打开DPM对胶的喷雾场进行计算，观测胶不同时刻的雾化状态、雾化区不同距离截面上的粒径范围以及影响胶滴大小的参数。

4.2.1 胶滴瞬时雾化状态

雾化是一个随着时间不断变化的过程，不同时刻的雾化状态不同［13］，通过监测不同时间胶滴的雾化状态，可获得胶滴达到较好雾化状态的时间。为了得到不同参数对雾化状态的影响规律，模拟时空气进口速度都设置成100M/s，分别改变质量流率和粒子流数量，观察喷射源开始注入液滴后不同时刻的喷雾情况。

从图5和图6可得当质量流率为0.01kg/s时，胶滴在0.135s就能达到较好的雾化状态，且沿喷嘴出口轴线方向的胶滴向前扩散的快喷的远。改变粒子流数量不影响胶滴达到较好雾化状态的时间，提高粒子流数量后雾化形状更好。

图5 粒子流数量为20质量流率为0.01kg/s胶滴瞬时雾化状态Fig.5 The Number of Particle Streams is 20 Mass Flow Rate is 0.01kg/s

图6 粒子流数量为50质量流率为0.01kg/s胶滴瞬时雾化状态Fig.6 The Number of Particle Streams is 50 Mass Flow Rate is 0.01kg/s

从图7和图8可知当质量流率为0.015kg/s时，胶滴在0.075秒时就达到了很好的雾化状态，对比于图5图6可知提高质量流率可加快胶滴的雾化速度，使胶滴在更短的时间达到很好的雾化状态，这是因为提高质量流率相当于提高了液滴的速度，使液滴更快的经过喷雾区，从而在更短的时间达到较好的雾化状态。

图7 粒子流数量为20质量流率为0.015kg/s胶滴瞬时雾化状态Fig.7 The Number of Particle Streams is 20 Mass Flow Rate is 0.015kg/s

图8 粒子流数量为50质量流率为0.015kg/s胶滴瞬时雾化状态Fig.8 The Number of Particle Streams Is 50 Mass Flow Rate is 0.015kg/s

4.2.2 粒径百分数分布

统计喷嘴出口下游不同距离截面上的粒径百分数，更直观的表达胶滴在不同截面上的粒径分布，在空气进口速度为125M/s质量流率为0.01kg/s粒子流数量为20时进行模拟研究。

从图9可知不同距离截面上的胶滴粒径都主要聚集在300μm左右，但距喷嘴出口较近的截面上粒径较大，稍远的截面上粒径较小，而且随着喷嘴出口轴线距离的增加，胶滴粒径是先减少后增加的趋势，这是因胶滴进入雾化区后与空气充分接触进行二次雾化粒径会减小［14］，随着距离越远速度也越来越低，胶滴不再破碎。

图9 粒径百分数分布Fig.9 Distribution of Particle Size

4.2.3 不同因素对胶滴平均雾化粒径的影响规律

（1）质量流率和粒子流数量对胶滴粒径的影响规律。

从图10可知当质量流率为0.01kg/s时比0.015kg/s时的平均雾化粒径整体偏小，这是因为提高质量流率相当于加大了进入喷雾场的胶滴流量，增大了胶滴的速度即降低了气液相对速度使得雾化过程不是很充分，所以粒径会总体偏大。当粒子流数量从20改为50时进入雾化区的粒子数量增多，胶滴颗粒密集影响与空气的二次雾化，所以粒径会稍微偏大，但对胶滴粒径分布没有太大影响。

图10 雾化区不同距离截面上的平均雾化粒径Fig.10 Average Atomized Particle Size at Different Distances in the Atomization Zone

（2）气相进口速度对胶滴粒径的影响规律

从图10的对比分析可知当质量流率为0.01kg/s和粒子流数量为20的时候得到的平均雾化粒径最小，所以在上述工况下改变不同的气相进口速度来看粒径的变化规律。从图11可得增加气相进口速度有助于胶滴雾化，这是因为加大进口速度相当于增加了气液相对速度，使胶滴雾化更充分所以粒径会更小，且胶滴都是在距喷口一定远时与空气充分接触进行二次雾化。

图11 不同气相进口速度下平均雾化粒径Fig.11 Average Atomized Particle Size at Different Gas Phase Inlet Velocities

（3）相对速度对胶滴粒径的影响规律。

其他参数设置保持不变，分析不同气液相对速度对胶滴粒径大小的影响，从图12中可得增大气液相对速度，胶滴粒径变化明显，在一定的范围内提高气液相对速度对助于胶滴达到更好的雾化效果。

图12 不同相对速度下的平均雾化粒径Fig.12 Average Atomized Particle Size at Different Relative Velocities

5 结论

（1）通过仿真模拟可得到胶滴在雾化区的分布情况和胶滴达到较好雾化状态的时间，发现在一定范围内改变质量流率可使胶滴在更短的时间达到很好的雾化状态，当气相进口速度为150M/s，质量流率为0.01kg/s时能得到较好的雾化效果，可用于胶的喷涂；（2）通过对喷嘴出口下游不同距离截面上粒径百分数的统计分析，得到随喷射距离的增加，胶滴粒径是先减少后增加或趋于平稳的趋势，胶滴进入雾化区后会与空气发生摩擦，粒径减小且更均匀，但是距喷口一定远后粒径不再变小，所以进行喷涂作业时喷嘴距工件的高度应为雾化粒径最低时的截面到喷口的距离；（3）从多组仿真结果对比分析可知在一定范围内较高的气相进口速度、气液相对速度都对胶的雾化产生有益效果，而加大质量流率会使胶滴粒径变大，粒子流数量基本不会对胶的雾化粒径产生影响，改变气相进口速度和质量流率都会改变气液相对速度，然后影响胶滴粒径的分布，所以气液相对速度对胶滴的雾化效果有很大影响。