肖 華1，楊含笑1，陳向榮1，陳 梅1，吳啟東1，吳正人2

(1.河北白沙煙草有限責(zé)任公司保定卷煙廠，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系，河北 保定 071003)

0 引言

雙介質(zhì)霧化噴嘴因其良好的霧化性能，被廣泛地應(yīng)用到煙草、化工等行業(yè)。雙介質(zhì)霧化噴嘴主要是指通過大致平行的低速液流與其他高速氣流的相對運(yùn)動(dòng)，期間發(fā)生相互摩擦碰撞等過程，導(dǎo)致液體管束或液體薄膜進(jìn)行霧化的一種裝置。實(shí)際應(yīng)用中，多為兩相氣流霧化噴嘴噴射，也包括各種類型的氣相介質(zhì)霧化噴嘴。雙介質(zhì)霧化噴嘴可以通過物理過程將液體整體轉(zhuǎn)化為微小的液滴，增大比表面積，提高蒸發(fā)或反應(yīng)速度[1-2]。

王松齡等[3]基于DPM模型，分析了液化氣滴霧化速度、直徑和流量霧化液體中氣滴的數(shù)量和流通量與霧化壓力之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)同一工作霧化壓力較高時(shí)，液化氣滴在一定計(jì)算域內(nèi)平均連續(xù)停留時(shí)間短，速度越大；同一霧化壓力工作條件下，液化氣滴霧化速度主要還是集中于一定速度范圍之間。液滴管的直徑等長度隨液體壓力強(qiáng)度增大而逐漸減小，且直徑減小的增長趨勢逐漸緩慢變緩。劉聯(lián)勝等[4]利用新型激光出口散射粒度儀分別對3種不同出口霧化特性分別進(jìn)行了霧化試驗(yàn)結(jié)果研究和霧化理論結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)通過提高出口空氣液體注入時(shí)的壓力和增大氣液注入質(zhì)量時(shí)的流量比、增大出口空氣液體注入截面積可以大大改善出口霧化使用效果，增大空氣出口截面積和增大液體注入流量則可能會(huì)大大降低出口霧化使用效果。盧平等[5]通過臨床試驗(yàn)研究考察了2種雙孔式流體沖孔噴嘴的進(jìn)口霧化質(zhì)量特性，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口霧化液滴入口平均噴孔直徑速度隨進(jìn)口氣液流量比的減小和增大，呈明顯下降和上升的趨勢，增大進(jìn)口霧化液中氣滴在注入口噴孔截口的面積也更有利于改善進(jìn)口霧化氣的質(zhì)量。白鵬博等[6]選取馬爾文測霧儀并對內(nèi)混式噴嘴在工況不一定的情況下噴嘴的霧化特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了內(nèi)混式噴嘴的霧化特性存在關(guān)聯(lián)的是噴射壓力、氣液比。侯燕等[7]建立了多流體噴嘴三維流量CFD流動(dòng)模型，對液體噴霧場內(nèi)的氣流場與出口溫度場進(jìn)行模擬，討論了噴嘴數(shù)目、進(jìn)口壓力、入口流量及液體噴霧高度對液體霧化后液滴流動(dòng)速度、液體噴滴出口直徑及流量分布、壁面及噴換熱傳動(dòng)能力及均勻性的重要影響。吳進(jìn)軍等[8]為了揭示壓力對直射式噴嘴霧化影響的霧化機(jī)理，針對D=0.2 mm、D=0.3 mm的直射式噴嘴采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下：壓力是影響直射式噴嘴霧化的重要參數(shù)。壓力越大，燃油液滴粒徑SMD越小、噴霧錐角越大。直射式噴嘴的壓力增大，霧化效果增強(qiáng)趨勢逐漸降低；壓力增大對一次霧化影響較大，對二次霧化影響較小。李子陽等[9]基于CLSVOF(couple level-set and volume-of-Fluid)方法對直流互擊式的霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并詳細(xì)研究了孔徑比對霧化特征的影響。鄒哲偉[10]在離心式噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對該噴嘴流量的霧化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，該噴嘴的流量基本上與出口壓力的平方根成正比，且噴嘴的流量系數(shù)基本上不隨外界壓力的變化而變化，只與本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果為理論分析提供了實(shí)踐依據(jù)。

本研究針對其特點(diǎn)進(jìn)一步開展噴霧機(jī)理的研究。首先對霧化形成的過程進(jìn)行分析，得出影響霧化效果的因素。然后根據(jù)理論研究，建立相關(guān)的噴嘴霧化物理模型，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對霧化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了氣相流速對霧化效果的影響。

1 噴嘴模型及網(wǎng)格劃分

1.1 霧化噴嘴模型

本文根據(jù)煙廠實(shí)際的噴嘴霧化模型進(jìn)行一定的簡化，其主要針對噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過inventor軟件等比例對雙介質(zhì)霧化噴嘴進(jìn)行三維物理建模，并通過icem軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其霧化模型如圖1。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)圖和噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格模型圖

圖2 噴嘴霧化模擬區(qū)域

除此之外本文根據(jù)建立煙廠實(shí)際的霧化場所建立霧化區(qū)域模型如圖2所示，其中模型為三維滾筒，通過滾筒模型我們可以觀察到由噴嘴模型噴射進(jìn)來的流體參數(shù)，以達(dá)到對霧化效果的監(jiān)測。

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

首先通過0.21～0.5 mm的網(wǎng)格尺寸對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格化分，選取網(wǎng)格數(shù)目為280萬、345萬、501萬、734萬、1000萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在734萬之后噴嘴出口蒸汽速度不發(fā)生明顯變化。而且在進(jìn)行模擬中發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)過高時(shí)模擬所得數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)失真的情況，計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大增加。

對于數(shù)據(jù)失真的情況，分析其原因主要為網(wǎng)格尺寸過小，網(wǎng)格體積小于液滴體積，導(dǎo)致液滴在網(wǎng)格計(jì)算中不連續(xù)，從而造成誤差?？紤]到計(jì)算的時(shí)間成本與數(shù)據(jù)精度，采用網(wǎng)格數(shù)為734萬的模型，網(wǎng)格尺寸為0.25 mm。

1.3 模擬條件的設(shè)置

本文將噴嘴模型導(dǎo)入Fluent軟件，并根據(jù)模擬工況采用SIMPLE求解器進(jìn)行壓力-速度耦合式求解，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和vof氣液兩相流模型，并采用隱式徹力方式。其中液相設(shè)置成煙草香料，氣相設(shè)置為蒸汽，考慮到筒壁粘附效應(yīng)，液體和蒸汽之間的表面張力系數(shù)設(shè)為0.07。蒸汽入口條件設(shè)置為pressure-inlet，料液的入口邊界條件為velocity-inlet，然后選用pressure-outlet作為噴嘴出口邊界條件，靜壓設(shè)置為0.1 MPa，并把出口空間設(shè)置為壓力遠(yuǎn)場?？紤]實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況及多次模擬運(yùn)行效果和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，擬定標(biāo)準(zhǔn)工況，考慮料液溫度55 ℃，蒸汽溫度60 ℃，考慮到壁厚對傳熱效果的影響削弱及兩相介質(zhì)溫度接近，為簡化運(yùn)算，取兩相溫度均為58 ℃。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 有無氣相介質(zhì)對霧化效果的影響

為探究氣相流速對外混式雙介質(zhì)噴嘴霧化效果的影響，首先通過固定液相流速為10 m/s，氣相流速分別設(shè)置為0 m/s和80 m/s，來驗(yàn)證思路的可行性，其模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 液相流速為10 m/s氣相流速分別為0 m/s和80 m/s的速度云圖

圖3從上到下依次為氣相速度為0 m/s的半剖面和出口面的速度云圖、氣相速度為80 m/s的半剖面和出口面的速度云圖。由半剖面速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，有氣相流速時(shí)，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內(nèi)噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。由出口速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，有氣相流速時(shí)，速度出現(xiàn)多次分層現(xiàn)象，這有利于加強(qiáng)霧化的強(qiáng)度，提高霧化的均勻性。以上模擬結(jié)果驗(yàn)證了雙介質(zhì)噴嘴相對于單介質(zhì)噴嘴霧化效果的優(yōu)越性。

2.2 氣相速度對霧化效果的影響

在驗(yàn)證氣相流速有利于加強(qiáng)霧化效果之后，為探究不同氣相流速對霧化效果的影響，將液相流速設(shè)置為10 m/s，分別將液相流速分別為60m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的噴嘴霧化情況進(jìn)行對比。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，在液相速度一定的情況下，隨著氣相速度的增大，氣相分子與液體分子相互碰撞作用加強(qiáng)，兩相流之間的能量與動(dòng)量交換作用愈發(fā)明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加。其中，液體流束邊緣處與氣相作用最劇烈，作用效果最明顯。

圖4 液相流速為10 m/s時(shí)氣相流速分別為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的速度云圖

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同氣速下計(jì)算域的體積分?jǐn)?shù)結(jié)果可知，在相同液相流速下，氣相速度越大(在一定范圍內(nèi))，液體的擴(kuò)散效果越好，霧化效果越明顯。得出結(jié)論，增加氣體速度與液相速度的比值能明顯強(qiáng)化霧化。

圖5 液相流速10 m/s，氣相流速為60 m/s、80 m/s、100 m/s、120 m/s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)云圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際噴嘴模型，結(jié)合煙廠的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行雙介質(zhì)噴嘴的物理建模，并通過設(shè)置相關(guān)的邊界條件來達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。通過控制變量法來研究液相流速對霧化效果的影響。研究表明：有無氣相流速會(huì)對霧化效果產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)氣相介質(zhì)參與霧化時(shí)，噴嘴霧化距離和霧化半徑更大；在一定范圍內(nèi)噴嘴出口的霧化形狀變化量較小，有利于霧化的均勻性。驗(yàn)證了氣相流速，會(huì)對霧化效果產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，為后面的模擬奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)液相流速固定時(shí)，隨著氣相流速的增加，氣相分子與液體分子能量與動(dòng)量交換效果加強(qiáng)，霧化效果明顯；隨著氣相速度的增加，霧化半徑和霧化距離都有所增加，有利于促進(jìn)霧化程度。