陳有錦，袁銳波，張 劍，李贇釗，羅 威

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 昆明 650504；2.昆船智能技術(shù)股份有限公司, 昆明 650500)

0 引言

近年來，我國科學(xué)水平不斷發(fā)展，受到新科技影響的行業(yè)不斷增多，煙草行業(yè)就是其中之一。盡管我國的煙草生產(chǎn)技術(shù)與之前相比已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，對于煙草生產(chǎn)工序的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的控制水平不斷完善，但是與國際先進(jìn)水平還存在一定的距離，需要煙草機(jī)械的相關(guān)研發(fā)工作人員進(jìn)一步改進(jìn)和完善[1]。通過對煙葉加香加料的利用率、準(zhǔn)確性以及均勻性問題的改善，可以很大程度上在后面直至成品的工序中提升煙葉的成品質(zhì)量以及口感品質(zhì)[2]。

對于煙葉香料施加的均勻性問題上，現(xiàn)在大多數(shù)采用香料霧化噴嘴，以此通過壓縮空氣對香料進(jìn)行霧化，通常情況下將噴嘴作為一種霧化元件，對于料液霧化的均勻度很大程度上取決于噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，為了解決加料不均勻問題，可以對噴嘴內(nèi)部的流動特性規(guī)律進(jìn)行研究[3]。

基于煙草加料工序，為了進(jìn)一步提高料液霧化的均勻性和穩(wěn)定性，保證料液可以均勻準(zhǔn)確地分布在煙葉的表面上。以煙草加料的霧化效果為基準(zhǔn)，對噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行分析，尋找結(jié)構(gòu)參數(shù)對料液流動的影響規(guī)律，對料液的霧化過程進(jìn)行探索，利用流體仿真的方法對噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行可視化分析[4-6]。

1 液體霧化的基本理論

1.1 兩相流數(shù)字模型的建立

基于流體力學(xué)相關(guān)理論分析可知，流體的流動遵循物理守恒定理的分配，因此，對于噴嘴霧化內(nèi)流場流動特性的分析要遵循三大基本守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律[7]和能量守恒定律。由于霧化噴嘴的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)小和氣液兩相的相對流速極快，湍流現(xiàn)象會表現(xiàn)得非常強(qiáng)烈，局部渦流現(xiàn)象也容易出現(xiàn)。為了更準(zhǔn)確地反映出實(shí)際流體流動的情況，增加數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選用Realizable湍流模型對霧化噴嘴的流動進(jìn)行模擬求解[8]。在模擬中，不考慮熱量與質(zhì)量傳遞，模型的質(zhì)量守恒與動量守恒方程分別如下：

質(zhì)量守恒方程：也稱連續(xù)性方程，是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)理論中的應(yīng)用，定義為在一定時間內(nèi)進(jìn)入單元體的所有質(zhì)量與一定時間內(nèi)單元體增添的所有質(zhì)量相等[9]。通常情況下，連續(xù)性方程的表達(dá)式如下:

(1)

動量守恒方程：也稱運(yùn)動方程，一般情況下利用Navier-Stokes方程對其進(jìn)行描述，表示單元體中的流體受到外界作用力的合力與單元體內(nèi)流體動量的增加率相等[10]。

▽·(μeff,kαk(▽uk+(uk)T))-

αk▽P+Fg,l+ρkαkg

(2)

式中：Fg,l為相互作用力；g和l分別為氣相和液相；ρ為流體密度；u為流體速度；μeff,k為第k相的有效黏度；P為壓力；g為重力加速度；αk為第k相的體積分?jǐn)?shù)，并且總體積分?jǐn)?shù)等于1，即：

(3)

對于質(zhì)量守恒與動量守恒方程的求解，需要封閉相間作用力項(xiàng)和湍流黏度項(xiàng)。

2 空氣霧化噴嘴內(nèi)流場數(shù)值模擬分析

空氣助力霧化噴嘴是一種兩相流噴嘴，兩相分別為氣相和液相，主要是通過壓縮空氣的噴灑作用，使得料液達(dá)到霧化的效果。通過上一節(jié)理論分析，噴嘴內(nèi)氣液兩相的流量值對霧化效果的影響很大。所以本節(jié)主要是對相應(yīng)的霧化噴嘴模型的內(nèi)流場進(jìn)行分析，并通過改變氣壓和流量的工藝參數(shù)，研究噴嘴內(nèi)部的流動特性以及混合腔內(nèi)霧化效果受工藝參數(shù)變化的影響，為噴嘴內(nèi)流場結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)[11]。

2.1 噴嘴幾何模型的建立

對于霧化噴嘴的霧化，噴嘴內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)建對流體在噴嘴內(nèi)部的流動特性有直接影響。其中氣相管道的直徑、液相管道的直徑、混合腔的尺寸、氣孔的數(shù)量以及交叉角等多種因素對噴嘴霧化的整個過程都有很大的影響。所討論的是空氣助力霧化噴嘴，通過噴嘴技術(shù)手冊的介紹，可以知道氣液兩相的進(jìn)入方式以及分布對流體的流動特性影響不是很大，更大的影響因素在于氣液的混合方式。為了能夠更加直觀地了解該空氣助力霧化噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由氣液兩相的入口、氣液流道以及氣液混合腔3部分組成[12]，如圖1所示。

1.液體流道，2.氣體流道，3.液體入腔口,4.氣體入腔孔，5.混合腔，6.出口

該空氣助力霧化噴嘴的工作基本原理為：氣體和液體進(jìn)入噴嘴流道以后，氣體以環(huán)形流道前進(jìn)，然后通過多個小孔的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)進(jìn)入混合腔時的注射壓力，在混合腔內(nèi)對液體進(jìn)行第一次破碎，并與氣體充分混合，最后經(jīng)過噴嘴的出口小孔噴射到外界再一次充分霧化。

2.2 數(shù)值計(jì)算過程

2.2.1噴嘴流場建模與網(wǎng)格劃分

對上述空氣助力霧化噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)其工作原理確定氣液兩相的流域，進(jìn)一步對霧化噴嘴的計(jì)算流域模型進(jìn)行繪制，如圖2所示?？諝庵F化噴嘴的霧化過程實(shí)際是一個兩相混合的問題，整個霧化過程比較復(fù)雜，特別是氣相和液相相互交匯混和的過程，在空間大小有限的范圍內(nèi)高速沖擊，使得局部壓力大，湍流程度也相對較劇烈。對于網(wǎng)格模型的劃分，通過合理的方法可以得到質(zhì)量較好的網(wǎng)格，而網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣對計(jì)算的結(jié)果會產(chǎn)生不同程度的影響[13]。這里通過STAR-CCM+對計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于所用的幾何模型對計(jì)算結(jié)果的要求較高，因此，全流域網(wǎng)格劃分對網(wǎng)格數(shù)量以及網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，網(wǎng)格的劃分形式采用非線性多面體網(wǎng)格，計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量為 2 699 122個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 11 106 535個，得到網(wǎng)格劃分示意圖，如圖3所示。

圖2 噴嘴內(nèi)流場的計(jì)算域模型

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

2.2.2邊界條件設(shè)置與計(jì)算方法設(shè)置

邊界條件的設(shè)置在數(shù)值模擬的過程中也是比較重要的一環(huán)，邊界條件的正確設(shè)定可以使計(jì)算結(jié)果有唯一解，同時保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。將氣體入口設(shè)置為壓力入口，液體入口設(shè)置為流量入口，噴嘴的出口設(shè)置為壓力出口?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中的料液具有一定的粘性且氣液有一定的溫度，所以為了提升計(jì)算速度，這里將粘度設(shè)置為水的5倍來代替料液，同時設(shè)置空氣的溫度為60 ℃，液體的溫度為55 ℃。由上一節(jié)的內(nèi)容可以知道，數(shù)值模擬計(jì)算分析時連續(xù)相采用VOF模型[14]，由于氣相的流速比較快，選用Realizablek-ε模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程(standard wall functions)的近壁面處理方法[15]。

2.3 內(nèi)部流場特性分析

為分析霧化噴嘴內(nèi)流場的霧化特性在不同氣體壓力和不同液體流量的變化情況，將氣相壓力分別設(shè)置為0.25、0.3、0.35、0.4 MPa，液體流量設(shè)置為25、30、35、40 kg/h。研究氣體壓力或液體流量作為單一變量時噴嘴內(nèi)流場流動特性的變化。為了更清楚地分析噴嘴內(nèi)部不同位置的速度變化，對其內(nèi)部流場特性進(jìn)行了更深入地了解，在噴嘴內(nèi)部中心X軸方向19.3、21.1、22.5、23.5、24.1、24.68、25.12、25.42、25.72、26.32、27.42 mm共11個點(diǎn)進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3.1入口速度對內(nèi)流場湍動能分布的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內(nèi)流場湍動能分布的影響

圖4是在一定液體流量、不同氣體壓力下的湍動能(turbulent kinetic energy,TKE)變化云圖，最大湍動能為1 120 J/kg。從湍動能云圖可以看出，在噴嘴口之前湍動能幾乎沒有梯度變化，在噴嘴出口靠近壁面的位置，湍動能的梯度變化比較明顯，中心區(qū)域湍動能較小。隨著氣體壓力的增大，出口處的湍動能值也越大，說明氣體壓力的大小直接影響著湍動能的大小。這是因?yàn)殡S著氣體壓力的逐漸增大，氣動作用在噴嘴內(nèi)也不斷增加。

圖5為在液體流量一定的情況下，隨著不同氣體壓力的變化，沿著噴嘴中心軸線方向的湍動能變化曲線。由圖5可以看出，在25.42 mm前，隨著軸線距離的延伸，湍動能的大小幾乎不發(fā)生變化，在25.42 mm以后開始進(jìn)入噴嘴出口段，徑向截面積變小，湍動能開始迅速增大。在湍動能迅速增大的同時，噴嘴內(nèi)的氣體動力隨著氣體壓力的增大而不斷增強(qiáng)，氣液兩相相互間的作用力增強(qiáng)，湍動能的增長速率相對更快。

圖4 不同氣體壓力下湍動能分布云圖

圖5 不同氣體壓力下軸向湍動能變化曲線

圖6為在液體流量不變的情況下，噴嘴出口平均湍動能隨氣體壓力的變化曲線圖，隨著氣體壓力的增加，出口的平均湍動能逐漸增強(qiáng)。噴嘴出口平均湍動能與氣體壓力幾乎成正比關(guān)系。說明湍動能隨氣體壓力的影響很大，通過提升氣體壓力可以提升湍動能，有助于提升氣液兩相間的相互作用。這是因?yàn)闅怏w壓力增大的同時必定會促使流體的運(yùn)動速度加快，所以湍動能呈現(xiàn)上升的趨勢。

2) 液體流量對噴嘴內(nèi)流場湍動能分布的影響

圖7說明了在一定氣體壓力的情況下，噴嘴內(nèi)部湍動能隨液體流量的變化規(guī)律，最大湍動能為1 260 J/kg。由圖中的最大湍動能值可以知道，噴嘴內(nèi)部流動特性的湍動能值與液體流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說，湍動能的大小在液體流量不斷增加的同時不斷減小。這是因?yàn)橐后w流量的增大，使得噴嘴內(nèi)部氣液兩相的混合程度加劇，液體的增多需要?dú)怏w提供更多能量完成液體的初次霧化，但由于氣體壓力不變，所以噴嘴內(nèi)部的氣動力減小，進(jìn)一步使湍動能隨著液體流量的增加而減小。

圖6 出口湍動能隨氣體壓力的變化曲線

圖7 不同液體流量下湍動能分布云圖

圖8表示在噴嘴中心軸向湍動能隨液體流量的變化，在軸向坐標(biāo)25.42 mm前，在不同的液體流量下，湍動能值幾乎保持相等且不發(fā)生浮動變化。在軸向坐標(biāo)25.42 mm以后，湍動能值同時迅速增大，這是因?yàn)?5.42 mm以后，進(jìn)入噴嘴的出口階段，徑向截面積開始變小，使得氣液混合的流速迅速增加。由于液體流量的增多，使得氣體對破碎液體的能量增多，促使噴嘴內(nèi)部的氣動力減小，湍動能跟著減小。所以湍動能與液體流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著液體流量的增大而減小。

圖8 不同液體流量下軸向湍動能變化曲線

圖9為噴嘴出口平均湍動能隨液體流量的變化曲線，在液體流量增大的同時，噴嘴出口的平均湍動能呈減小的趨勢。這是因?yàn)楦鶕?jù)能量守恒定律，氣體的能量不變，一部分用于更多液體的初步霧化破碎，一部分用于流體的流動。所以用于液體初步霧化破碎的能量增多，使得用于流體流動的能量減弱，湍動能也跟著減小。

圖9 出口湍動能隨液體流量的變化曲線

2.3.2入口速度對內(nèi)流場速度分布的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內(nèi)流場速度分布的影響

圖10為在液體流量一定的情況下，不同氣體壓力下噴嘴內(nèi)部的速度分布情況，通過對4張速度云圖的分析，可知最大速度能達(dá)270 m/s。位于噴嘴出口的附近位置速度最為顯著，從出口的徑向截面來對速度進(jìn)行分析，速度從噴嘴中心到噴嘴壁面先變大再變小，在出口的中處速度變小，靠近噴嘴壁面的地方速度最大，貼近噴嘴壁面的地方速度變小。在不同的氣體壓力下，噴嘴出口的速度分布梯度不太一樣，在小的氣體壓力條件下，速度變化不明顯。隨著氣體壓力的增大，噴嘴出口壁面附近的速度變化也越明顯，這是因?yàn)樵跉怏w壓力增大的同時，對液滴進(jìn)行剪切破碎的能力更強(qiáng)。所以通過提升氣體壓力可能更有利于提高噴嘴的霧化效果。

圖10 不同氣體壓力下速度分布云圖

圖11為不同的氣體壓力下軸向速度變化曲線。在24.1 mm前對速度的變化幾乎不產(chǎn)生影響，在24.1 mm以后在氣體壓力的作用下速度開始迅速上升，在26.32 mm處速度幾乎達(dá)到最大值。同時由于氣體壓力的不同，為液體破碎提供的能量大小也不同，對速度的影響也不同。在24.1 mm以后，在不同氣體壓力的作用下，同樣位置速度的變化也不一樣，速度差值越來越大，在25.52 mm處，速度差值最大。

圖11 不同氣體壓力下軸向速度變化曲線

圖12為不同空氣壓力情況下噴嘴出口平均速度圖，當(dāng)液體流量一定時，隨著氣體壓力的增加，出口速度也逐漸增大。但是出口速度在氣體壓力剛開始增加的時候上升的速率較大，在氣體壓力增加到一定值以后，出口平均速度的增長開始緩慢，出口速度也將進(jìn)一步趨于穩(wěn)定。這是由于隨著氣體壓力的增加，為液體提供的破碎能力越大，所以速度也越大。

圖12 出口速度隨氣體壓力的變化曲線

2) 液體流量對噴嘴內(nèi)流場速度分布的影響

圖13為在一定的氣壓下，不同液體流量下的速度分布云圖。對速度分布圖進(jìn)行分析，在出口壁面附近比較顯著，速度可達(dá)到298 m/s，中心速度小，靠近壁面速度大，貼近壁面速度小。但是在氣體壓力不變的情況下，不同液體流量下噴嘴出口的速度梯度幾乎不發(fā)生明顯變化，說明氣體壓力相比液體流量對速度的影響較大。

圖13 不同液體流量下速度分布

如圖14為在氣體壓力一定時，不同液體流量下軸向速度變化曲線。在19.3～23.5 mm，中心速度幾乎不發(fā)生變化，但是在同一個點(diǎn)上，液體流量越小，速度也越小。隨著液體流量均勻性增加，速度也均勻性增大。在23.5～26.32 mm，速度逐漸增加，在26.32 mm處取得最大值。但是速度增加的速率與液體流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，液體流量越少，速度增加的速率越大，最終在同一位置，液體流量越少，速度越大。

圖14 不同液體流量下軸向速度變化曲線

圖15為一定氣體壓力下、不同液體流量下的噴嘴出口的平均速度，在液體流量不斷上升的同時，出口截面的平均速度不斷下降，并且平均速度下降的幅度慢慢變小。這是因?yàn)橐后w流量的不斷增加，液體被分裂需要的能量就更多，一定的空氣壓力下，霧化介質(zhì)氣體提供的能量有限，轉(zhuǎn)化為速度的能量就減少，所以速度降低。

圖15 出口速度隨液體流量的變化曲線

2.3.3入口速度對內(nèi)流場液體體積分?jǐn)?shù)的影響

1) 氣體壓力對噴嘴內(nèi)流場體積分?jǐn)?shù)分布的影響

圖16為一定液體流量下、不同氣體壓力時的液體體積分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)液體進(jìn)入噴嘴混合腔以后，在氣體壓力的作用下，液體和氣體開始混合，隨著混合腔內(nèi)氣液兩相的相互作用，紅色的徑向截面積逐漸變小，液體的體積分?jǐn)?shù)不斷降低，在噴嘴口達(dá)到最低值。隨著氣壓不斷上升，噴嘴內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)下降的幅度越大。因?yàn)殡S著空氣壓力的增大，輸送到噴嘴內(nèi)氣體的速度就越快，噴嘴內(nèi)的氣體流量也就越多，由于混合腔內(nèi)徑向截面積不發(fā)生變化，所以氣體對液體的擠壓力變大。

圖16 不同氣體壓力下液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖17為在不同的氣壓作用下，沿著噴嘴軸向的液體體積分?jǐn)?shù)的變化曲線，在不同的氣體壓力下，軸向液體體積分?jǐn)?shù)變化情況基本相同，在19.3～21.4 mm中，混合腔體內(nèi)液體體積數(shù)勻速變小，在21.4～25.42 mm，混合腔的收縮段徑向截面積變小，使得氣液兩相間的作用力增大，促使液體體積分?jǐn)?shù)的下降速率變大，25.42 mm以后進(jìn)入噴嘴孔內(nèi)，在噴嘴孔內(nèi)液體體積分?jǐn)?shù)的下降頻率逐漸緩和，在出口處達(dá)到最小。

圖17 不同氣體壓力下軸向液體體積分?jǐn)?shù)變化曲線

圖18為在不同氣體壓力的作用下，噴嘴出口液體體積分?jǐn)?shù)的平均值變化情況。當(dāng)液體流量一定時，出口平均液體體積分?jǐn)?shù)值隨著氣體壓力的增大不斷減小，說明隨著氣體壓力的增大，氣相占據(jù)的比重也越來越大，對液體破碎的程度也逐漸加深，并且液相體積分?jǐn)?shù)減小的幅度隨著氣體壓力的增大而不斷增大。

2) 液體流量對噴嘴內(nèi)流場體積分?jǐn)?shù)的影響

圖19為在氣體壓力不變的情況下，液體體積分?jǐn)?shù)隨液體流量的變化分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)液體流量為25 kg/h時，液體在剛進(jìn)入混合腔時，在氣體流動的沖擊下與氣體已經(jīng)基本混合，到達(dá)噴口處已經(jīng)充分混合，液體所占的比重為0.01左右，液體基本全部破碎為小液滴。由于液體流量發(fā)生變化，在噴嘴出口液體與氣體充分混合的程度有所不同，隨著液體流量的增加，噴嘴出口的液體體積分?jǐn)?shù)有增高的趨勢。這是因?yàn)樵谝后w流量增加的同時，需要被破碎的氣動力更大，不利于液體與氣體充分的混合，所以在氣體壓力一定的情況下，液體流量的增加抑制了液體的破碎程度。

圖18 出口液體體積分?jǐn)?shù)隨氣體壓力的變化曲線

圖19 不同液體流量下液體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖20為噴嘴中心軸向液體體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。在不同的液體流量下，在噴嘴出口前液體的體積分?jǐn)?shù)幾乎保持相同的變化趨勢，在19.3 mm處液體體積分?jǐn)?shù)基本都保持在0.9左右，隨著噴嘴軸向距離的移動，液體體積分?jǐn)?shù)均保持相同的下降趨勢，此時液體流量對液體體積分?jǐn)?shù)的變化幾乎沒有影響。在24.1 mm以后，混合腔體徑向截面積開始收縮，并在25.12 mm處進(jìn)入噴嘴出口，這個過程液體的體積分?jǐn)?shù)開始迅速下降，并在進(jìn)入噴嘴孔以后，液體體積分?jǐn)?shù)的下降幅度開始緩和，說明進(jìn)入噴嘴孔前后氣液兩者間的相互作用力也逐漸緩慢，均在出口處液體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最小。

圖20 不同液體流量下軸向液體體積分?jǐn)?shù)變化曲線

圖21為隨著液體流量的變化，噴嘴出口平均液體體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。在氣體壓力一定的情況下，隨著液體流量的增加，出口平均液體體積分?jǐn)?shù)不斷增加，最小為0.01左右，表示在液體流量為25 kg/h時，液體和氣體相互混合的程度最高，液體破碎的程度也越深，這是因?yàn)橐后w流量的多少決定著液體被破碎所需要的能量大小。所以在氣體壓力不變的情況下，減小液體流量有利于液體進(jìn)一步霧化。

圖21 出口液體體積分?jǐn)?shù)隨液體流量的變化曲線

3 結(jié)論

對霧化噴嘴的模型進(jìn)行了繪制，并進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分以及邊界條件的設(shè)定。基于CFD仿真軟件分別分析了不同氣體壓力以及不同液體流量對噴嘴內(nèi)流場的速度、湍動能以及液體體積分?jǐn)?shù)的影響。經(jīng)過對仿真結(jié)果進(jìn)行處理，從仿真云圖、噴嘴中心軸向坐標(biāo)點(diǎn)以及噴嘴出口的平均值等3個方面對噴嘴的內(nèi)部流動特性進(jìn)行了分析?；旌锨恢袕较蚪孛娣e不變時，速度和湍動能幾乎不隨氣體壓力或液體流量的變化而發(fā)生變化，液體體積分?jǐn)?shù)均保持勻速下降的趨勢。在混合腔的徑向截面積縮小以后，當(dāng)液體流量一定時，速度和湍動能與氣體壓力呈正相關(guān)，且增長的幅度大。而液體體積分?jǐn)?shù)隨著氣體壓力的增大不斷下降，減小的幅度也不斷增大，氣體動力增大的同時，對液體的約束力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)氣體壓力一定時，根據(jù)氣體壓力的增加，速度和湍動能隨著液體流量的增加出現(xiàn)上升的趨勢，但增加的幅度逐漸減小，液體體積分?jǐn)?shù)隨液體流量的增加逐漸下降，但減小的幅度也逐漸變小。