双介质喷嘴气相流速对雾化效果的影响

肖 华1，杨含笑1，陈向荣1，陈 梅1，吴启东1，吴正人2

(1.河北白沙烟草有限责任公司保定卷烟厂，河北 保定 071003；2.华北电力大学动力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

双介质雾化喷嘴因其良好的雾化性能，被广泛地应用到烟草、化工等行业。双介质雾化喷嘴主要是指通过大致平行的低速液流与其他高速气流的相对运动，期间发生相互摩擦碰撞等过程，导致液体管束或液体薄膜进行雾化的一种装置。实际应用中，多为两相气流雾化喷嘴喷射，也包括各种类型的气相介质雾化喷嘴。双介质雾化喷嘴可以通过物理过程将液体整体转化为微小的液滴，增大比表面积，提高蒸发或反应速度[1-2]。

王松龄等[3]基于DPM模型，分析了液化气滴雾化速度、直径和流量雾化液体中气滴的数量和流通量与雾化压力之间的相互关系，发现当同一工作雾化压力较高时，液化气滴在一定计算域内平均连续停留时间短，速度越大；同一雾化压力工作条件下，液化气滴雾化速度主要还是集中于一定速度范围之间。液滴管的直径等长度随液体压力强度增大而逐渐减小，且直径减小的增长趋势逐渐缓慢变缓。刘联胜等[4]利用新型激光出口散射粒度仪分别对3种不同出口雾化特性分别进行了雾化试验结果研究和雾化理论结果分析，发现通过提高出口空气液体注入时的压力和增大气液注入质量时的流量比、增大出口空气液体注入截面积可以大大改善出口雾化使用效果，增大空气出口截面积和增大液体注入流量则可能会大大降低出口雾化使用效果。卢平等[5]通过临床试验研究考察了2种双孔式流体冲孔喷嘴的进口雾化质量特性，发现进口雾化液滴入口平均喷孔直径速度随进口气液流量比的减小和增大，呈明显下降和上升的趋势，增大进口雾化液中气滴在注入口喷孔截口的面积也更有利于改善进口雾化气的质量。白鹏博等[6]选取马尔文测雾仪并对内混式喷嘴在工况不一定的情况下喷嘴的雾化特性进行试验研究，得到了内混式喷嘴的雾化特性存在关联的是喷射压力、气液比。侯燕等[7]建立了多流体喷嘴三维流量CFD流动模型，对液体喷雾场内的气流场与出口温度场进行模拟，讨论了喷嘴数目、进口压力、入口流量及液体喷雾高度对液体雾化后液滴流动速度、液体喷滴出口直径及流量分布、壁面及喷换热传动能力及均匀性的重要影响。吴进军等[8]为了揭示压力对直射式喷嘴雾化影响的雾化机理，针对D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式喷嘴采用实验和数值模拟研究。主要结论如下：压力是影响直射式喷嘴雾化的重要参数。压力越大，燃油液滴粒径SMD越小、喷雾锥角越大。直射式喷嘴的压力增大，雾化效果增强趋势逐渐降低；压力增大对一次雾化影响较大，对二次雾化影响较小。李子阳等[9]基于CLSVOF(couple level-set and volume-of-Fluid)方法对直流互击式的雾化过程进行数值模拟，并详细研究了孔径比对雾化特征的影响。邹哲伟[10]在离心式喷嘴结构设计的基础上，对该喷嘴流量的雾化性能进行了试验研究，研究结果表明，该喷嘴的流量基本上与出口压力的平方根成正比，且喷嘴的流量系数基本上不随外界压力的变化而变化，只与本身结构有关。试验结果为理论分析提供了实践依据。

本研究针对其特点进一步开展喷雾机理的研究。首先对雾化形成的过程进行分析，得出影响雾化效果的因素。然后根据理论研究，建立相关的喷嘴雾化物理模型，并根据生产实际对雾化过程进行数值模拟，研究了气相流速对雾化效果的影响。

1 喷嘴模型及网格划分

1.1 雾化喷嘴模型

本文根据烟厂实际的喷嘴雾化模型进行一定的简化，其主要针对喷嘴内部结构，通过inventor软件等比例对双介质雾化喷嘴进行三维物理建模，并通过icem软件对其进行网格划分。其雾化模型如图1。

图1 喷嘴结构图和喷嘴内部网格模型图

图2 喷嘴雾化模拟区域

除此之外本文根据建立烟厂实际的雾化场所建立雾化区域模型如图2所示，其中模型为三维滚筒，通过滚筒模型我们可以观察到由喷嘴模型喷射进来的流体参数，以达到对雾化效果的监测。

1.2 网格无关性验证

首先通过0.21～0.5 mm的网格尺寸对计算域进行网格化分，选取网格数目为280万、345万、501万、734万、1000万的模型进行网格无关性验证，发现当网格数在734万之后喷嘴出口蒸汽速度不发生明显变化。而且在进行模拟中发现当网格数过高时模拟所得数据会出现失真的情况，计算时间也会大大增加。

对于数据失真的情况，分析其原因主要为网格尺寸过小，网格体积小于液滴体积，导致液滴在网格计算中不连续，从而造成误差。考虑到计算的时间成本与数据精度，采用网格数为734万的模型，网格尺寸为0.25 mm。

1.3 模拟条件的设置

本文将喷嘴模型导入Fluent软件，并根据模拟工况采用SIMPLE求解器进行压力-速度耦合式求解，选择标准k-ε模型和vof气液两相流模型，并采用隐式彻力方式。其中液相设置成烟草香料，气相设置为蒸汽，考虑到筒壁粘附效应，液体和蒸汽之间的表面张力系数设为0.07。蒸汽入口条件设置为pressure-inlet，料液的入口边界条件为velocity-inlet，然后选用pressure-outlet作为喷嘴出口边界条件，静压设置为0.1 MPa，并把出口空间设置为压力远场。考虑实际生产运行情况及多次模拟运行效果和生产数据，拟定标准工况，考虑料液温度55 ℃，蒸汽温度60 ℃，考虑到壁厚对传热效果的影响削弱及两相介质温度接近，为简化运算，取两相温度均为58 ℃。

2 数值模拟结果及分析

2.1 有无气相介质对雾化效果的影响

为探究气相流速对外混式双介质喷嘴雾化效果的影响，首先通过固定液相流速为10 m/s，气相流速分别设置为0 m/s和80 m/s，来验证思路的可行性，其模拟结果如图3所示。

图3 液相流速为10 m/s气相流速分别为0 m/s和80 m/s的速度云图

图3从上到下依次为气相速度为0 m/s的半剖面和出口面的速度云图、气相速度为80 m/s的半剖面和出口面的速度云图。由半剖面速度云图可以发现，有气相流速时，喷嘴雾化距离和雾化半径更大；在一定范围内喷嘴出口的雾化形状变化量较小，有利于雾化的均匀性。由出口速度云图可以发现，有气相流速时，速度出现多次分层现象，这有利于加强雾化的强度，提高雾化的均匀性。以上模拟结果验证了双介质喷嘴相对于单介质喷嘴雾化效果的优越性。

2.2 气相速度对雾化效果的影响

在验证气相流速有利于加强雾化效果之后，为探究不同气相流速对雾化效果的影响，将液相流速设置为10 m/s，分别将液相流速分别为60m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s时的喷嘴雾化情况进行对比。

由图4可以发现，在液相速度一定的情况下，随着气相速度的增大，气相分子与液体分子相互碰撞作用加强，两相流之间的能量与动量交换作用愈发明显；随着气相速度的增加，雾化半径和雾化距离都有所增加。其中，液体流束边缘处与气相作用最剧烈，作用效果最明显。

图4 液相流速为10 m/s时气相流速分别为60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s时的速度云图

由图5可以发现，不同气速下计算域的体积分数结果可知，在相同液相流速下，气相速度越大(在一定范围内)，液体的扩散效果越好，雾化效果越明显。得出结论，增加气体速度与液相速度的比值能明显强化雾化。

图5 液相流速10 m/s，气相流速为60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s时的体积分数云图

3 结论

本文根据实际喷嘴模型，结合烟厂的实际运行参数，进行双介质喷嘴的物理建模，并通过设置相关的边界条件来达到实验的预期。通过控制变量法来研究液相流速对雾化效果的影响。研究表明：有无气相流速会对雾化效果产生很大的影响。当气相介质参与雾化时，喷嘴雾化距离和雾化半径更大；在一定范围内喷嘴出口的雾化形状变化量较小，有利于雾化的均匀性。验证了气相流速，会对雾化效果产生一定的促进作用，为后面的模拟奠定了基础。当液相流速固定时，随着气相流速的增加，气相分子与液体分子能量与动量交换效果加强，雾化效果明显；随着气相速度的增加，雾化半径和雾化距离都有所增加，有利于促进雾化程度。