流体力学仿真技术在电子雾化器结构开发中的应用

赵柏阳 臧佳栋 陆文龙 段红星 何友邻 严资林

（1．深圳市基克纳科技有限公司，广东 深圳 518102；2．哈尔滨工业大学（深圳）理学院，广东 深圳 518055）

随着新型烟草行业的快速发展，市场对电子雾化器的需求日益增加，同时对雾化效果的要求也不断提高。影响雾化效果的其中1 个因素是结构特性，因此国内外学者进行了相关研究。Trehy M L等[1-2]采用不同抽吸模式对气溶胶进行捕集研究。段沅杏等[3]研究了不同材质的金属发热丝对烟气成分的影响。李寿波等[4]利用气溶胶的光学特性研究了不同因素对烟雾质量浓度的影响。牛淑洁等[5]对雾化过程的传热现象进行理论分析并对比了不同组合方案的导油棉的积碳情况。

除上述影响因素外，结构因素导致空气流动变化，尤其是气体流量和速度差异，对雾化器性能影响非常大。在空气流动研究工具中，计算流体力学仿真技术可以帮助工程师快速地对电子雾化器结构进行优化。该文以某款电子雾化器为例，采用数值模拟方法探究不同进气方式对空气流动的影响并给出结构设计的建议。该文演示了流体力学仿真技术在电子雾化器结构开发中的关键作用，能够为相关工程实践提供参考。

1 建立数值模型

1.1 几何模型及边界条件设置

电子雾化器的性能主要受电子雾化过程的影响。电子雾化过程一般需要电子雾化液和电子雾化器配合实现，具体包括以下5 个过程： 1） 电子雾化液被导油介质吸附在内部。2）发热金属丝与导油介质接触。3） 雾化器通电驱动金属丝发热，使其中的电子雾化液被加热汽化。4） 汽化后的电子雾化液蒸汽与吸入的常温空气气流相遇，形成气溶胶。5） 最终由雾化器出口流出后进入口腔。在上述过程中，气体通道结构对最后2 个步骤有决定性的影响。电子雾化器内部结构复杂，因此内部形成的气体通道也比较复杂。雾化器内部的剖面图如图1 所示，2 个入口的面积均为0.9 mm2，出口面积为31.7 mm2，主气道直径为2.6 mm，2个内部气体通道的直径均为2.0 mm。对该几何模型进行处理，得到气体通道计算域（如图2（a）所示）并对其进行网格划分（如图2（b）所示）。

图1 雾化器内部剖面图（两侧进气）

图2 气体通道几何及网格模型

为了模拟真实抽吸情况，设置抽吸容量为55 mL，抽吸时间为3 s，抽吸间隔为30 s。出口类型为流量出口，经计算后流量为18.3 mL/s，入口类型为压力入口，相对压力为0 Pa，壁面无滑移。湍流模型选择SST 模型，该模型可以更好地捕捉因流道方向改变而导致的流动变化，有效地预测近壁面处的分离流动。SST 模型以湍动能k和其比耗散率ω为求解变量，其控制方程如公式（1）、公式（2）所示。

式中：ρ为密度；k为湍流动能；t为时间；Ui为xi方向的速度；xi为坐标位置（i=1，2，3，分别代表x、y和z方向）；μt为湍动黏度；Pk为停滞区域湍流限制函数，；β、β*和σw2为常数；S为应变速率；F1为混合函数；σk和σw分别为k和w的湍流普朗特数；α为常数；ω为湍动能的比耗散率；μ为动力黏度[6]。

所有SST 模型中的常数都是通过α=α1F1+α2（1-F1）从相应的函数中混合计算出来的，这些常数如下：β*=0.09，α1=5/9，β1=3/40，σk1=0.85，σω1=0.5，α2=0.44，β2=0.0828，σk2=1，σω2=0.856。求解方式选择SIMPLEC 算法，残差RMS 设置为10-4，以保证计算的精度。

1.2 数值模型适用性验证

吸阻指雾化设备在特定抽吸容量下出口与入口的压降。目前，吸阻测试试验在电子雾化领域已经非常普遍且可靠，因此实际测试的吸阻数据可以有效地验证数值模型的适用性。试验使用东莞精耀仪器设备有限公司生产的2 工位吸阻试验机，试验条件分别设置为抽吸容量25 mL、35 mL 以及55 mL，抽吸时间均为3 s，每组试验取3 个动态吸阻并计算平均值（见表1）。数值模型与试验输入条件保持一致，通过计算获得吸阻数据并将计算值与试验值进行对比。

表1 吸阻数据对比表

一般来说，网格划分的尺寸越小、数量越多，数值计算的准确性越高，但是巨大的网格数量会大幅度增加计算的时间。为了避免网格对数值计算准确性的影响，选取3 种不同数量的网格（网格数分别为335 703 个、759 832 个和1 036 360 个）进行数值计算。取主气道横截面中心线速度分布数据对比3 种网格计算结果的差异（如图3 所示），由图3 可知，当网格数为335 703 时，气道中心速度整体偏低，说明网格数量过少、尺寸过大，会影响计算的精度；当网格数为759 832 和1 036 360时，计算结果基本一致，证明网格数量的增加可以进一步提高计算精度，继续增加网格数量，对计算结果的影响不大，反而会增加计算资源的消耗。

图3 不同网格数量的速度分布图

在进行网格无关性的检验后，数值计算模型使用的网格数量为759 832，将计算结果与试验数据进行对比，结果见表1，对比图如图4 所示。数值模型与实测数据基本吻合，因此该数值模型可用于雾化器的气流分析。

2 不同进气方式雾化器对比分析

2.1 几何模型

在验证了数值模型的适用性后，使用该数值模型对3 款不同进气方式的电子雾化器进行对比。3 款雾化器的进气方式分别为两侧进气（如图2（a）所示）、单侧双进气孔进气（图5（a）所示）以及侧面+背面进气（如图5（b）所示）。这3 种组合是工程实践中常见的3 种进气口设计方式。不同的进气口排列方式改变了雾化器的内部气道结构，会对雾化的过程和产品的性能造成影响。

图5 雾化器几何模型

2.2 计算及结果分析

对3 款电子雾化器进行数值模拟计算，初始及边界条件设置与第1.1 节相同。以侧面+背面进气方式为例，计算结果的整体流线图如图6（a）所示。整个气体域包括2 个气体通道及1 个主气道（如图6（b）所示）。为了比较3 个结构的差异，选取3 个通道的截面，从进气量、流量分配比例以及速度分布3 个方面来对比3 款雾化器的差异，并对实际抽吸效果进行比较。

图6 气道结构及流线示意图

2.2.1 进气量及流量分配比例对比

3 款不同雾化器的气体通道进气总量如图7 所示。由图7 可知，两侧进气方式的雾化器进气量明显比其他2 款雾化器高，单侧双进气孔雾化器进气量最低。

图7 进气量对比图

在气体流量分配方面，主要对比气体通道一和通道二间的流量分配差异。两侧进气方式的雾化器气道界面速度分布如图8 所示（×标记为主气道位置），2 个气体通道内整体区域速度差异很小且进气流量分配比例非常均匀（如图9所示）。

图8 速度分布对比（两侧进气）

图9 流量分配比例（两侧进气）

侧面+背面进气方式的雾化器气道截面速度分布如图10 所示，2 个气体通道内整体区域速度差异较大且高速区集中在流道边缘处。此外，进气流量分配比例也存在较大差异（如图11 所示）。

图10 速度分布对比（侧面+背面进气）

图11 流量分配比例（侧面+背面进气）

单侧双进气孔方式的雾化器气道截面速度分布如图12所示，2 个气体通道内整体区域速度差异巨大且高速区集中在流道边缘处，进气流量分配比例相对均匀，但是仍然存在微小差异（如图13 所示）。

图12 速度分布对比（单侧双进气孔）

图13 流量分配比例（单侧双进气孔）

从雾化器的结构特点来看，两侧进气方式的雾化器进气位置对称分布，两侧进气量和流动特征一致性高。因此，两侧进气方式的进气气道利用率更高，整体气流分布更均匀，整体气流流量也是3 款雾化器中最大的。

对侧面+背面进气方式的雾化器来说，侧面进气口到内部气体通道的距离比背面进气口更远，气体主要通过背面进气孔进入雾化器内部，因此气流也主要发布在离背面进气口更近的气体通道中。这导致该进气方式对进气气道的利用率比两侧进气方式低，因此整体气流流量也比两侧进气方式低。

由于单侧双进气孔雾化器的进气孔集中在一侧且2 个进气孔距离较近，雾化器另一侧的空间完全闲置，因此整体的流量是3 个进气方式中最低的。该文还对单侧双进气口和单侧单进气口的仿真分析进行比较，结果证明，双孔的进气作用与单孔差别不大。

2.2.2 主气道速度分布分析

两侧进气、侧面+背面进气以及单侧双进气孔雾化器主气道的截面速度分布图如图14~图16 所示。由图14~图16 可知，两侧进气方式主气道速度分布更均匀并且高速区所占面积更大。为了进一步探究经过雾化区域空气的流动特性，选取主气道中y=0.07 m 横截面（雾化区中心所在位置）对比分析主流速度分布，并在第一高速区（速度范围3.0 m/s~4.6 m/s）与第二高速区（速度范围3.2 m/s~3.6 m/s）的边缘等值线上沿周向随机选取10 个点（如图14~图16 所示），获取随机点到壁面的距离，从而对比数据分布均匀性的差异。

图14 速度分布图（两侧进气）

图15 速度分布图（侧面+背面进气）

图16 速度分布图（单侧双进气）

主气道中气流速度分布越均匀，越有利于雾化区的热量交换，可以有效避免局部温度过高产生的焦糊味并且雾化过程稳定，气溶胶释放的一致性较高。主流高速区边缘随机点到壁面间的距离可以反映该点的气流速度对壁面的影响。3种不同进气方式雾化器的随机点到壁面的距离对例如图17所示，具体数据见表2。对比标准差可知，两侧进气方式的数据均匀程度最高，说明两侧进气主气道速度分布更均匀，更有利于雾化。

图17 随机点到壁面的距离

表2 随机点到壁面距离对比表

结合数值模拟的结果可以得出以下3 个结论：1） 进气量。两侧进气方式的雾化器的进气量最大，其他2 种雾化器差异较小。2） 气体通道截面速度分布。两侧进气方式的雾化器速度分布最均匀，侧面+背面进气次之，单侧双孔进气速度分布差异最大。3） 气体通道流量分配比例。两侧进气方式的雾化器速度分布最均匀，单侧双孔次之，侧面+背面进气流量分配比例差异最大。

在工程实践中，实际雾化效果通常由主观感官评测确定。3 款不同进气方式的雾化器在实际雾化效果评测中，两侧进气效果最好，单侧双孔进气次之，侧面+背面进气效果最差。这也证明进气量越大、速度分布及气体通道分配比例越均匀，雾化效果就越好。

3 结语

该文通过数值模拟的方法，从进气量、流量分配比例以及速度分布方面对3 款不同进气方式的雾化器进行对比，最终得到以下4 个结论：1） 不同的进气方式会影响进气量，进气量从大到小的变化规律为两侧进气、侧面+背面进气和单侧双进气。2） 不同进气方式会影响雾化器气道中的流量分配比例和气体截面速度分布。两侧进气的流量和速度分布是3 种进气方式中最均匀的。3） 受进气方式的影响，主气道速度分布均匀性从高到低的变化规律为两侧进气、侧面+背面进气和单侧双进气。4） 进气量越大、速度分布及气体通道分配比例越均匀，雾化效果就越好。

上述研究证明，数值模拟方法可以有效地对雾化器内部的空气流动特性进行分析，从而对影响雾化效果的结构参数进行探索。在工程实践中，可以将数值模拟的方法应用于雾化器产品结构设计中，通过改变不同参数来设计性能较高的雾化器。通过数值模拟的方法可以有效提高工程技术人员的开发效率，并降低产品开发过程中的物料、模具和时间成本。同时，该方法可以帮助工程技术人员从空气流动和雾化机理的角度解释不同样机性能差别的原因，为结构优化指出方向，从而提高产品开发的技术水平。