王萍萍，沈 凱，張振東

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

噴霧是將液體通過(guò)噴嘴噴射到氣體介質(zhì)中，使之分散并碎裂成小顆粒的過(guò)程［1-2］。由于液體相對(duì)于空氣或氣體的高速運(yùn)動(dòng)，液體會(huì)霧化成各種尺寸范圍的細(xì)小顆粒?？諝忪F化噴嘴為噴嘴的一種，其在化工行業(yè)中的霧化降溫冷卻及粉末干燥脫硫等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，并創(chuàng)造了顯著的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益［3］?？諝忪F化噴嘴的特性很大程度上決定了噴霧錐角的幅度和液滴索特平均直徑（Sauter Mean Diameter，SMD）的大小，而噴霧錐角和SMD 是霧化特性的重要指標(biāo)，因此對(duì)空氣霧化噴嘴的研究有著重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)空氣霧化噴嘴也進(jìn)行了大量研究，并取得系列成果。文獻(xiàn)［4］采用Eulerian-Lagrangian 耦合模型，對(duì)內(nèi)混式空氣霧化噴嘴性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出當(dāng)氣液質(zhì)量流量比為23%時(shí)，距離噴嘴出口20mm 處液滴基本被氣流束縛在扇形平面方向上±20mm 的范圍內(nèi)，液滴濃度和速度分布呈“雙峰型”分布；文獻(xiàn)［5］研究了不同的幾何參數(shù)，如長(zhǎng)徑比等對(duì)于壓力旋流霧化噴嘴的噴霧錐角以及SMD 的影響，在0.8MPa 和1.2MPa 的注射壓力下，噴霧錐角隨著長(zhǎng)徑比的增加而不斷減小，但對(duì)于SMD 而言，長(zhǎng)徑比的最佳值為3.75；文獻(xiàn)［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了廣角內(nèi)混式空氣霧化噴嘴霧滴場(chǎng)的霧化特性，結(jié)果表明在宏觀霧化特性方面，供水壓力和供氣壓力變化分別對(duì)噴嘴的霧化角和射程占主導(dǎo)作用；在細(xì)觀霧化特性方面，沿軸線方向隨著距離增大霧滴粒徑不斷增大，沿徑向方向隨著距離噴嘴軸線增大霧滴粒徑不斷增大；文獻(xiàn)［7］研究?jī)?nèi)混式空氣霧化噴嘴的進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)、空氣帽出口直徑和混合腔長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)對(duì)霧化特性的影響，4 個(gè)進(jìn)氣孔的霧化效果較兩個(gè)進(jìn)氣孔有顯著提高；空氣帽出口直徑在2.0～3.0 mm 之間時(shí)，隨直徑增大，噴嘴霧滴粒徑不斷下降。直徑繼續(xù)增大時(shí)，霧滴粒徑反而稍有增大，霧滴數(shù)量也減少；噴嘴混合腔長(zhǎng)度可以適當(dāng)增加，使液相與氣相進(jìn)行充分接觸以提高霧化效果。

目前，對(duì)于空氣霧化噴嘴的研究大多涉及內(nèi)混式空氣霧化噴嘴［8-10］，而對(duì)外混式空氣霧化噴嘴工程應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少。由于霧化理論并不完善，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更傾向于通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，數(shù)值模擬方法仍需進(jìn)一步發(fā)展。外混式空氣霧化噴嘴通過(guò)外部混合裝置改變氣體壓力而不改變液體流率來(lái)控制霧化，其霧幅形狀為扁平的扇形，有較大的噴霧錐角，使噴嘴可以掃過(guò)更大的面積［11］，有利于氣相和液相的充分混合，達(dá)到較好的霧化效果。鑒于此，有必要對(duì)外混式空氣霧化噴嘴進(jìn)行研究，其不僅具有重要理論意義，還有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。本文采用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，分析進(jìn)氣壓力對(duì)外混式空氣霧化噴嘴噴霧錐角和液滴粒徑的影響，以及不同混合段的液滴粒徑變化規(guī)律，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法對(duì)空氣霧化噴嘴進(jìn)行研究的可行性，可為該類型噴嘴的研究與工程應(yīng)用提供一定參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 噴嘴幾何模型

本文研究的外混式空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1 所示。壓縮空氣經(jīng)空氣流道從噴嘴噴出，與液體流道流出的液體在噴嘴附近處混合，通過(guò)高速氣流與液體間的相互作用完成霧化過(guò)程。

1.2 計(jì)算模型

粒子軌跡方程：

式中，u和up為氣體和液滴速度，ρ和ρp為氣體和液滴密度，F(xiàn)D(u-up)為液滴的單位質(zhì)量曳力。

對(duì)于湍流模型，本文選擇Realizable k-ε模型，該模型適合的流動(dòng)類型比較廣泛，包括有旋均勻剪切流、自由流（射流和混合層）、腔道流動(dòng)和邊界層流動(dòng)［12］。對(duì)以上流動(dòng)過(guò)程模擬結(jié)果都比標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型的結(jié)果好，特別是Realizable k-ε 模型對(duì)圓口射流和平板射流模擬中，能給出較好的射流擴(kuò)張，因而在噴霧的模擬計(jì)算中被廣泛應(yīng)用。

Fig.1 Structure of air-blast atomizer圖1 空氣霧化噴嘴結(jié)構(gòu)

關(guān)于k 和ε的運(yùn)輸方程如下：

破碎模型選擇WAVE 模型，其在高韋伯?dāng)?shù)液體圓孔射流的破碎與霧化中適用性較好。

表征粒度的方法有算數(shù)平均法、質(zhì)量平均法、體積平均法、表面積平均法等。使用最為廣泛的是索特平均直徑（SMD）［13-15］，其物理意義是液滴的面積對(duì)體積比值等于全部霧滴樣品的面積對(duì)體積的比值［16］。計(jì)算公式如下：

式中，Di為某一間隔的液滴代表尺寸，單位為微米；Ni為某一時(shí)間間隔的液滴代表尺寸數(shù)量。

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

1.3.1 網(wǎng)格劃分

為了滿足該型號(hào)空氣霧化噴嘴的霧化要求，建立300mm×300mm×250mm 的長(zhǎng)方體流體域，如圖2 所示，并對(duì)噴嘴出口處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，共劃分1 815 113 個(gè)網(wǎng)格，繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)量后對(duì)模擬結(jié)果影響較小。

Fig.2 Schematic diagram of fluid domain圖2 流體域示意圖

1.3.2 邊界條件

設(shè)置理想氣體（密度1.29 kg/m3，黏度1.789e-05kg/m-s）為連續(xù)項(xiàng)，液態(tài)水（密度998.2kg/m3，黏度1.003e-03kg/m-s，表面張力0.071 9N/m）為離散相。噴嘴氣體入口采用壓力入口（Pressure-inlet），入口壓力分別設(shè)置為0.05Mpa、0.1Mpa、0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa、0.35Mpa、0.4Mpa。正對(duì)著噴嘴的流體域壁面設(shè)置為壓力出口（Pressure-outlet），流體域四周設(shè)置為無(wú)滑移的壁面［17］。

1.4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用Eulerian-Lagrange 耦合模型對(duì)空氣霧化噴嘴模型進(jìn)行求解。在Eulerian 坐標(biāo)系下，將氣體介質(zhì)設(shè)置為連續(xù)項(xiàng)進(jìn)行求解。當(dāng)連續(xù)項(xiàng)收斂時(shí)，在Lagrange 坐標(biāo)系下將液滴設(shè)置為離散相對(duì)噴霧過(guò)程進(jìn)行求解。

圖3 是進(jìn)氣壓力分別為0.1Mpa、0.2Mpa、0.3Mpa、0.4Mpa時(shí)空氣霧化噴嘴中心軸線上的氣流速度分布圖（彩圖掃OSID 碼可見，下同）。由于中心霧化孔為環(huán)狀孔，因此在中心軸線起始位置處沒(méi)有檢測(cè)到氣流速度存在?？梢钥闯?，在距噴嘴口約7.5mm 處開始檢測(cè)到氣流速度，此時(shí)的氣流僅為中心霧化孔噴出的氣流，速度會(huì)隨著距離的增加而有所衰減。在距離噴嘴口約10mm 處，中心霧化孔噴出的氣流與輔助霧化孔、扇面控制孔噴出的氣流匯合，氣流速度很快達(dá)到一個(gè)峰值，然后開始慢慢隨著距離衰減。隨著進(jìn)氣壓力增大，噴嘴的中心軸線氣流速度也在增大，最大氣流速度可接近于音速。由于氣流速度較大，在噴嘴口附近會(huì)產(chǎn)生一定范圍的負(fù)壓區(qū)域，且進(jìn)氣壓力越大，負(fù)壓的大小和負(fù)壓區(qū)域的范圍會(huì)增大。

圖4 展示了噴嘴不同混合段處液滴粒徑變化?？梢钥闯?，隨著距離噴嘴口處的軸向距離增大，液滴的SMD 呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，這是因?yàn)橐旱蝿倧膰娮靽姵鰰r(shí)，液滴速度較大且分布較為密集，液滴與液滴之間會(huì)相互碰撞而產(chǎn)生二次破碎，使得液滴粒徑減??；而隨著軸向距離的增大，液滴的速度會(huì)隨之降低，并且液滴由于自身重力的作用與脈動(dòng)，此時(shí)液滴相互碰撞后會(huì)產(chǎn)生聚合現(xiàn)象，使液滴粒徑增大。還可以看出，隨著進(jìn)氣壓力的增大，液滴粒徑達(dá)到最小值所需要的距離縮短，因?yàn)閴毫υ龃螅隹谔帤怏w與液滴之間的相互作用也更加強(qiáng)烈，更容易碰撞產(chǎn)生二次破碎。繼續(xù)增大進(jìn)氣壓力后，變化趨勢(shì)逐漸減緩，是因?yàn)闅庖旱南嗷プ饔眠_(dá)到一個(gè)平衡穩(wěn)定狀態(tài)，索特平均直徑逐漸達(dá)到接近一個(gè)極限值，液滴細(xì)化效果不會(huì)進(jìn)一步改善。

Fig.3 Distribution of airspeed in central axis of air-blast atomizer圖3 空氣霧化噴嘴中心軸線氣流速度分布

Fig.4 Curves of SMD at different mixing sections圖4 不同混合段處液滴SMD 曲線

從圖5 中可以看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力小于0.2Mpa 時(shí)，噴霧錐角隨著進(jìn)氣壓力的增大呈近似線性增加，與上文對(duì)于液滴粒徑細(xì)化的分析一樣，進(jìn)氣壓力的增大導(dǎo)致氣液相互作用增強(qiáng)，噴嘴的霧化效果越來(lái)越好，噴霧錐角也隨之增大。

當(dāng)進(jìn)氣壓力大于0.2Mpa 時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力的繼續(xù)增大，噴霧錐角的變化不再那么明顯，說(shuō)明外混式空氣霧化噴嘴的噴霧錐角存在極限值。這是因?yàn)樵谕饣焓娇諝忪F化噴嘴的噴嘴結(jié)構(gòu)中，中心霧化孔和扇面控制孔間存在一個(gè)固定夾角（本文噴嘴模型中心霧化孔和兩個(gè)扇面控制孔間的夾角分別為50°和70°，該夾角會(huì)隨空氣霧化噴嘴型號(hào)的不同而有所改變，這種布置可以增強(qiáng)氣流與液體之間的相互作用），因此液態(tài)水從噴嘴口噴出后的路徑主要有軸向和法向兩個(gè)方向，在進(jìn)氣壓力相對(duì)較低時(shí)，法向方向的空氣速度相對(duì)較大，液態(tài)水會(huì)向法向方向擴(kuò)展，因而噴霧錐角會(huì)越來(lái)越大。而進(jìn)氣壓力增大主要增大軸向方向的空氣速度，當(dāng)壓力繼續(xù)增大時(shí)，軸向方向的氣流對(duì)液態(tài)水的影響占主導(dǎo)地位，法向方向的氣流對(duì)液態(tài)水的影響減弱，因而噴霧錐角的變化不再明顯。

這點(diǎn)與內(nèi)混式空氣霧化噴嘴有所不同［18］。內(nèi)混式空氣霧化噴嘴的霧化空間有限，隨著進(jìn)氣壓力增大，氣流速度增大，霧化時(shí)間縮短，空氣與液體未達(dá)到充分霧化便從噴嘴噴出，從而導(dǎo)致繼續(xù)增大進(jìn)氣壓力時(shí)，霧化效果反而會(huì)變差。而外混型空氣霧化噴嘴有著充足的霧化空間，因此霧化過(guò)程不會(huì)受到限制。

Fig.5 Curve of spray cone angle圖5 噴霧錐角曲線

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

噴霧實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由空氣霧化裝置、供氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和液體回收裝置組成。實(shí)驗(yàn)分為兩部分：第一部分為利用馬爾文激光粒度儀對(duì)噴霧液滴的SMD 進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)［19］，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6 所示；第二部分為利用高速攝影機(jī)記錄噴霧時(shí)的噴霧形態(tài)并測(cè)量噴霧錐角［20］，該部分實(shí)驗(yàn)裝置僅在測(cè)量裝置與液體回收裝置上與第一部分實(shí)驗(yàn)裝置有所不同，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7 所示。

Fig.6 System diagram of SMD measurement experiment圖6 SMD 測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)調(diào)節(jié)高壓氣源的壓力調(diào)節(jié)閥，使氣壓分別穩(wěn)定在0.05Mpa、0.1Mpa、0.15Mpa、0.2Mpa、0.25Mpa、0.3Mpa、0.35Mpa、0.4Mpa，因該噴嘴的最佳噴霧距離為170～220mm，用馬爾文激光粒度儀測(cè)量距離噴嘴出口處200mm處的液滴粒徑，并測(cè)量從噴嘴口部到最佳噴霧距離范圍內(nèi)不同混合段的液滴粒徑，其后用高速攝影機(jī)拍攝記錄噴嘴處的噴霧狀態(tài)，并對(duì)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Fig.7 System diagram of spray cone angle measurement experiment圖7 噴霧錐角測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖8 為馬爾文激光粒度儀數(shù)據(jù)分析軟件Data Analysis中得到的不同進(jìn)氣壓力條件下噴霧距離為200mm 處的液滴粒徑分布圖，圖9 為不同進(jìn)氣壓力下噴霧SMD 曲線圖。

Fig.8 Droplet size distribution at 200mm圖8 噴霧距離為200mm 處的液滴粒徑分布

Fig.9 Curve of SMD at 200mm圖9 噴霧距離為200mm 處的SMD 曲線

從圖8 和圖9 可以看出，液滴粒徑主要分布在10～100μm 之間，隨著進(jìn)氣壓力增大，空氣與液態(tài)水之間的相互作用增強(qiáng)，液滴SMD 減小，繼續(xù)增大進(jìn)氣壓力后，變化趨勢(shì)逐漸減緩。

通過(guò)與高速攝影機(jī)配套的圖像處理軟件，對(duì)不同進(jìn)氣壓力條件下的噴霧形態(tài)圖像進(jìn)行灰度處理與角度測(cè)量，得到不同進(jìn)氣壓力條件下的噴霧錐角變化曲線，如圖10 所示。

Fig.10 Curve of spray cone angle圖10 噴霧錐角曲線

通過(guò)記錄噴涂時(shí)間與液體消耗量可以得到空氣霧化噴嘴不同進(jìn)氣壓力條件下的液體流量，變化曲線如圖11 所示。

Fig.11 Curves of liquid flow圖11 流量曲線

由于氣流速度較大，噴嘴口處附近會(huì)產(chǎn)生一定范圍的負(fù)壓，隨著進(jìn)氣壓力增大，氣流速度增大，負(fù)壓會(huì)增大，進(jìn)出口處壓力差增大，使液體流量增大。由于中心噴孔面積一定，流量不可能無(wú)限增大。這解釋了仿真結(jié)果圖3 中噴嘴中心軸線的氣流速度分布情況。

3 結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)不同進(jìn)氣壓力條件下的噴霧形態(tài)進(jìn)行角度測(cè)量與統(tǒng)計(jì)，將得到的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到如圖12、圖13 所示對(duì)比圖。

Fig.12 Comparison between numerical simulation results and experimental results of spray cone angle圖12 噴霧錐角的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖12 中可以看出，噴霧錐角的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的分析吻合。由于數(shù)值模擬中各項(xiàng)條件均為理想條件，空氣為理想氣體，且忽略壁面的摩擦阻力，因此得到的霧化效果好于實(shí)驗(yàn)得到的霧化效果。

在距離噴嘴不同軸向距離處建立一系列垂直于噴嘴中心軸線的平面，選取該系列平面對(duì)噴霧模擬中的液滴進(jìn)行取樣統(tǒng)計(jì)，得到不同進(jìn)氣壓力條件下不同混合段的液滴索特平均直徑，將數(shù)值模擬中得到的SMD 值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到的SMD 值進(jìn)行對(duì)比，得到如圖13 所示對(duì)比結(jié)果。

從圖13 中可以看出，數(shù)值模擬中得到的索特平均直徑變化規(guī)律與噴霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的分析較為吻合，但在壓力較低時(shí)，空氣霧化噴嘴的霧化效果較差，噴霧中存在較大的未破碎液滴，對(duì)SMD 的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大影響，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理想狀態(tài)下的數(shù)值模擬結(jié)果有一定差距。隨著壓力增大，霧化效果也有較大提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為貼近。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用馬爾文激光粒度儀和高速攝影機(jī)，對(duì)外混式空氣霧化噴嘴在不同進(jìn)氣壓力條件下的霧化特性進(jìn)行了噴霧實(shí)驗(yàn)研究，分析進(jìn)氣壓力對(duì)噴霧錐角和液滴粒徑的影響，以及不同混合段的液滴粒徑變化規(guī)律。采用Eulerian-Lagrange 耦合模型對(duì)空氣霧化噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出以下幾點(diǎn)規(guī)律：①進(jìn)氣壓力大小對(duì)外混式空氣霧化噴嘴的霧化效果有較大影響；②隨著進(jìn)氣壓力增大，空氣霧化噴嘴的霧化效果越來(lái)越好，噴霧液滴的SMD 逐漸減小，但繼續(xù)增大進(jìn)氣壓力時(shí)，液滴細(xì)化效果接近極限值，SMD變化幅度不再明顯，并且隨著噴嘴口處軸向距離的增大，液滴粒徑呈先減小后增大趨勢(shì)，隨著進(jìn)氣壓力增大，液滴粒徑達(dá)到最小值的距離減?。虎郛?dāng)進(jìn)氣壓力小于0.2Mpa、進(jìn)氣壓力增大時(shí)，氣流場(chǎng)的中心軸線速度增大，空氣與液體之間的相互作用增強(qiáng)，霧化效果越來(lái)越充分，噴霧錐角近乎呈線性增大趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)氣壓力大于0.2Mpa 時(shí)，繼續(xù)增大進(jìn)氣壓力，此時(shí)軸向方向的氣流速度占主導(dǎo)地位，法向方向的氣流影響減弱，噴霧錐角增大不再明顯；④隨著進(jìn)氣壓力增大，液體流量也會(huì)逐漸增大，但增大趨勢(shì)逐漸減緩，由于中心噴孔面積有限，液體流量不可能無(wú)限增大；⑤數(shù)值模擬結(jié)果與噴霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，可以采用數(shù)值模擬模型對(duì)空氣霧化噴嘴的工程應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。

通過(guò)本文研究，有助于研究者對(duì)外混式霧化噴嘴霧化特性有更深入的認(rèn)識(shí)。后期可進(jìn)一步對(duì)外混式與內(nèi)混式霧化噴嘴進(jìn)行對(duì)比研究，探索進(jìn)氣壓力不同時(shí)，不同混合方式霧化噴嘴噴霧錐角、液滴粒徑變化規(guī)律的差異性。