空气雾化喷嘴内部流场的瞬态研究

吴宇轩，李弘志，赵明强

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

对于空气雾化喷嘴的雾化研究中，流体在内部的流动变化是重中之重。研究喷嘴内部流动的变化规律能够加深对液滴碎裂机理的认识以及对构建喷嘴的模型具有重要意义[1]。而单纯靠传统的理论研究的实验研究已经不能满足当前的科研需求，借助计算机技术对喷雾研究的现象已经日益广泛[2-3]。现在也有研究者用数值模拟的方法来研究空气雾化喷嘴的内部的流动特征，但大多数研究者都是将喷嘴内部的流动过程当作一个稳态过程进行模拟计算，由而喷嘴内部的流动变化实际是一个瞬态过程，具有不稳定型，所以稳态计算的结果与实际情况有较大差距。故本文通过Fluent软件对两相流喷嘴的内部流动进行瞬态计算来分析其内部流动的特性，为喷嘴的优化以及研发设计提供参考[4-5]。

1 喷嘴模型及网格划分

图1为喷嘴内部的二维平面图，有三个气体入口孔，其直径Da=2 mm；一个液体入口孔，其直径Dl=1 mm；一个气液出口孔，其直径d=1.6 mm。混合室直径D=9 mm，混合室长度L=12.3 mm，气液出口孔长度l=2 mm。

喷嘴内部流场的三维模型的建立是通过Gambit软件，然后在ICEM软件中划分喷嘴的网格模型，如图2所示。由于模型为不规则形，故采用非结构化网格，网格总数量为292×104。

图2 喷嘴内部网格模型

2 数值计算参数的设置

喷嘴内部两相流模型选择流体体积函数（Volume Of Fluid,VOF）模型，设置空气为第一相，水为第二相[6]。设置湍流模型为（Large Eddy Simulation, LES）的壁面适应局部涡粘性（Wall Adapting Local Eddy, WALE）模型，压力速度耦合方式采用（Pressure Implicit with Splitting of Operators, PISO）算法[7]。

气相和液相入口边界条件分别设置为压力入口边界和速度入口边界条件[8]，出口边界条件设置为压力出口边界，为标准大气压。空气入口的总压设置为0.031 MPa，液态水的流量是10 L/h、15 L/h和20 L/h，对应的入口速度为3.537 m/s、5.305 m/s、7.074 m/s。

时间步长选择为0.000 01s，迭代次数为20，时间步长数量选择为400，总时间大概为0.004 s。

3 数值模拟结果及分析

3.1 喷嘴中心轴线上数据分析

对喷嘴中心轴线上的压力和速度进行数据采集并分析，中心轴线是指从液体入口孔到气液出口孔的距离，也就是x=4 mm到x=14.3 mm的距离。

图3是不同液体流量下的中心轴线上压力变化曲线图。可以看出各曲线初始曲线几乎重合，这是因为喷嘴空气入口的压力值相等；从液相入口到出口，随着距离的增加，喷嘴内部轴线的压力在混合室内几乎不变直至接近进入喷孔处时压力开始骤降，最后在喷孔出口处压力达到最小值几乎为0。

图3 不同液体流量下的中心轴线上压力变化曲线

图4是不同液体流量下的中心轴线上速度变化曲线图。可以看出各曲线初始曲线相差较大，这是因为液体流量不同所以液态水进入喷嘴的速度也不相同；从液体进入喷嘴直至离开喷嘴，随着距离的增加，喷嘴内部轴线上的速度在混合室内几乎不变，直到接近喷孔处，速度开始急剧上升至喷孔出口处速度达到最大值。

结合图3和图4可以看出在接近喷孔到喷嘴出口孔的过程中，液体流量越大中心轴线上的速度越大、压力越小，这是因为在进入喷孔时，液体需要有更大的速度使液体进入喷孔，所以压力转换为速度使得液体速度增加，而液体流量越大转化为速度的压力需求也更大，压力也就下降得更多，压力就越小。

图4 不同液体流量下的中心轴线上压力变化曲线

3.2 喷嘴不同截面上数据分析

在喷嘴内部上x为6 mm、7.8 mm、9.3 mm、10.5 mm、11.4 mm、12 mm、12.3 mm、12.6 mm、13.2 mm和14.3 mm的横截面进行数据采集并分析。

图5是不同液体流量下各截面上压力变化曲线图。从图中可以看出压力的变化趋势与中心轴线上基本相同，随着距离的增加，截面上的压力刚开始几乎不变，在接近喷孔出口处压力开始下降且下降趋势较大，然后在喷孔前半段下降趋势减小，喷孔后半段下降趋势再度变大，最后在喷孔出口处压力值达到最小但比大气压强稍大一点。

图5 不同液体流量下各截面上压力变化曲线

图6是不同液体流量下各截面上速度变化曲线图。随着距离的增加，截面上的速度刚开始有微小趋势的上升，在接近喷孔处速度开始急剧上升，然后在进入喷孔后速度开始有较小的下降然后速度变化平缓下来直至达到极大值。

图6 不同液体流量下各截面上速度变化曲线

图7是不同液体流量下各截面上气相体积变化曲线图。从图中可以看出各曲线初始曲线几乎重合，随着距离的增加，截面上的气相体积分数刚开始有微小趋势的下降，在接近喷孔处气相体积分数开始急剧下降，然后在进入喷孔后气相体积分数先有较大趋势的上升然后上升趋势减小下来直至达到极大值。

图7 不同液体流量下各截面上气相体积变化曲线

结合图5、图6和图7，可以看出压力和速度出现较大的变化都是在喷孔入口端附近，这是因为在气体和液体都在竞争进入喷孔，而喷孔的直径小于混合室的直径，因此，在进入喷孔前压力骤降，速度骤升，在进入喷孔后速度和压力变化就平缓，但因为液体要从喷孔出口出去，所以在喷孔后端的压力出现骤降，直至接近标准大气压。也是因为从混合室到喷孔的截面面积减小，使得气体和液体之间的相互作用更加激烈，从而使得气相体积分数在进入喷孔前迅速下降直到在喷孔入口处达到最小值，然后在进入喷孔后气相体积分数开始缓慢上升直至在喷孔出口处达到最大值。

4 结论

本文通过对建立的空气雾化喷嘴内部的三维模型进行大涡模拟，并有针对性地对喷嘴内部流动特征数据进行数据采集和分析，得到如下结论：

1）在喷嘴内部中心轴线上，当空气入口压力不变的情况下，随着距离的增加，初始阶段也就是喷嘴处于混合室内阶段中不同液体流量下的压力大小基本相同且压力、速度的变化趋势十分稳定，而在接近喷嘴喷孔入口端阶段压力开始急骤下降，速度开始迅速提高，最后在喷孔出口处压力达到最小值，速度达到最大值。同时进入喷嘴的液体流量越大，喷嘴出口处的流速也会越大。

2）在喷嘴内部不同截面上，当空气入口压力不变的情况下，喷嘴混合腔内的压力、速度在初始阶段随着距离变化十分稳定且不同液体流量下的压力曲线几乎重合，速度随着距离变化有轻微趋势的上升，气相体积分数随着距离变化有轻微趋势的下降且不同液体流量下的气相体积分数曲线几乎重合；在喷嘴喷孔入口端压力和气相体积分数急骤下降，速度迅速提高；在进入喷孔后压力下降趋势减小，然后在喷孔后端迅速下降直至接近大气压，速度变化则较为平稳，先轻微减小再缓慢上升至极大值，气相体积分数反而开始上升，趋势由大变小直至最大值。

3）利用 Fluent 软件对喷嘴内部的流场情况进行瞬态数值模拟计算得到的结果较为准确，能为改善喷嘴雾化质量以及研发设计提供理论依据。