基于FLUENT的高压精细雾化喷嘴特性研究*

张嘉丽，李 浩，梁文宏

（西安工业大学机电工程学院，西安710021）

从20 世纪开始人们就对雾化喷嘴内部流动状态进行模拟研究。Dumouchel C 等[2]运用涡流函数来计算雾化喷嘴内流场。Baharanchi A A[3]利用VOF 模型和湍流模型对雾化场进行研究分析，并对雾化场采用不同湍流模型进行研究，得出RNGk-ε模型在可以保证仿真计算的时候，计算成本也大大下降。浙江大学的尹俊连[4]采用VOF 和RNGk-ε模型研究雾化喷嘴内部的气流两相流流动状态。VOF 模型的方法来研究高压精细旋流雾化喷嘴，与实验结果也有较高的吻合[5]。Madsen J 等[6]对压力旋流式雾化喷嘴采用LES 和VOF 模型结合的方法进行研究，研究发现实验结果与仿真结果基本吻合。

在喷嘴实际应用中，标准的k-ε模型其假定流体流动各向均匀湍流，对于流体的旋转运动没有一个很好的计算[7]。因此对于高压精细雾化喷嘴模拟来说，此方法不合适，RNGk-ε对比标准的k-ε模型，它在计算过程中考虑了湍流旋流，计算精度有很大的提高，它能更好地模拟喷嘴内部强旋转流动等复杂流动[8]，而且比标准湍流模型具有更高的精度。

综上，对于雾化喷嘴的研究主要是对常温状态下的液体进行数值模拟，对于高温雾化研究较少。本文根据丝束热湿处理时选用的高压精细雾化喷嘴工作原理，构建喷嘴三维模型，同时为精确反映喷嘴流场特性，采用大工显测量旋芯重要尺寸，文中采用VOF 两相流模型结合RNGk-ε的方法对高压精细雾化喷嘴内流场进行数值模拟，重点研究流场速度分布以及液体不同温度对出口压力的影响，为后期工程应用提供重要参考。

1.1 喷嘴几何模型

图1 所示为高压精细雾化喷嘴剖视图，它主要由喷孔、螺纹帽、带狭缝的旋芯、弹簧、过滤棉及喷嘴壳体等组成。高压精细雾化喷嘴结构简单、雾化效果好且成本较低被广泛应用在农业、化工、工业生产及动力设备等行业。根据高压精细雾化喷嘴整体剖视图，在喷嘴旋芯后端区域主要为圆环形流动，流体区域面积变化不大，液体经过旋芯狭缝到旋流室这一段时，流域面积发生突变，导致流场状况也发生了改变。因此，在下述工作中主要对旋芯到旋流室区域的特性进行研究。

图1 旋流雾化喷嘴剖视图

高压精细雾化喷嘴雾化原理如图2 所示，液体由切向进入旋流室内，在旋转室内进行旋转，压力能转变成液滴动能，然后由小孔高速喷出，出口处会形成液滴群形状，之后与空气接触，形成表面波，表面波的形成使得液膜伸长变薄，最后破碎成细小雾滴[9]。

图2 高压精细雾化喷嘴雾化原理

根据高压精细雾化喷嘴雾化原理，高压精细雾化喷嘴的狭缝尺寸、喷孔大小和操作压力对雾化产生的效果以及生产能力起着重要的决定作用。采用游标卡尺测量高压精细雾化喷嘴尺寸，由于旋芯狭缝和喷孔采用游标卡尺测量误差较大，为了模型更加可靠、准确，采用大工具显微镜测量狭缝和喷嘴喷孔尺寸，得到如表1 所示的喷嘴尺寸。

表1 高压精细雾化喷嘴重要尺寸mm

1.2 喷嘴物理模型及网格划分

根据高压精细雾化喷嘴工作原理，旋芯狭缝使得流体区域面积突变对喷嘴雾化的效果影响较大[10]，同时为了节约计算时间，缩小网格数量简化仿真，其忽略对仿真无明显影响，根据以上得到的高压精细雾化喷嘴尺寸，在Solidworks三维软件中建立内部流道模型，如图3所示。

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图3 高压精细雾化喷嘴几何模型

模型的网格划分是求解微分方程的重要问题之一，网格划分是否合理是数值模拟重要一步，合理的网格划分可以极大简化方程求解。本文采用ICEM CFD 软件对旋流雾化喷嘴进行网格划分，为了计算的高效性，采用四面体非结构网格划分方法对喷嘴进行网格划分，网格划分单元数为205 181，网格节点数为30 586，网格划分如图4 所示。由于高压精细雾化喷嘴的结构较为复杂，对于几何尺寸突变的地方，即狭缝和旋流室连接位置以及出口处进行局部网格细化的方式进行加密，如图4（b）所示，保证了数值模拟计算的可靠性，经验证网格质量符合要求。

图4 高压精细雾化喷嘴三维网格划分

2.1 基本控制方程

本模型对所研究的高压精细雾化喷嘴的实际物理现象作了如下假设：由于喷嘴所使用的工作介质是温度在20～95 ℃的热水，喷嘴内部流场中有温度热现象的产生，考虑液体是否有热量传递，热传递有3 种基本方式：导热、对流和辐射，在实际长期工作中，金属管道和喷嘴处的温度一致，不考虑换热和对流；
保温箱附近装有绝热层，不考虑热辐射；
液体在喷嘴内部的流动为不可压缩，喷嘴内存在空气和水，气液之间无理化反应；
喷嘴入口和出口的势能差很小，可忽略不计；
忽略质量力的影响。

基于上述模型的假设，流体在旋芯狭缝处及旋流室内的流场数值模拟计算时除了求解连续性方程和动量方程外，由于涉及不同液体温度，还需要求解能量方程[11]。

连续性方程：

式中：P为液体的密度；
vˉ为速度矢量。

动量守恒方程：

式中：keff∇T为热传导导致的能量变化；
hjJj为组分导致的能量变化；
τeff·U为黏性耗散导致的能量变化。

2.2 边界条件与控制参数设置

合适的边界条件对于流场解的计算准确性至关重要，根据高压精细雾化喷嘴的内部实际流动状况，喷嘴出口位置有空气芯的存在。因此，高压精细雾化喷嘴流体域边界条件入口设置为压力入口（为工作压力2.6 MPa），入口第二项设为1，表明入口处全部是水，温度为50 ℃，出口边界条件设置为压力出口，压力值为0 Pa（与外界大气压相等），并设置出口第二项回流为0，表明发生回流时，回流全部为气体，其余为壁面，采用无滑移绝热壁面。

在求解过程中采用SIMPLE 算法，压力项采用PRESTO!，动量项采用二阶迎风格式，体积分数采用compressive 离散格式，湍动能项、湍粘系数和雷诺应力项采用一阶迎风格式，瞬态计算过程中时间步长设置为10-5s，每步迭代计算100 次，计算进行到第二项的流动状态基本不再发生改变，认为此时流体发展完全，停止计算。

在对高压精细雾化喷嘴进行分析时，选择不同截面进行分析，能更好理解喷嘴内部流场特性，如图5 所示为狭缝处和旋流室处的截面位置，分析狭缝处和旋转室内的速度场、压力场云图。

图5 喷嘴旋芯狭缝处和旋流室处位置示意图

3.1 速度场分析

高压精细雾化喷嘴入口压力设置为2.6 MPa，液体温度设置为323.15 K，出口压力为0 MPa（大气压），初始时刻为空气，模拟得到旋流雾化喷嘴速度云图和速度矢量云图。

图6 所示为数值模拟得到的喷嘴内流场速度云图，从图6（a）中可以看出去离子水经狭缝到旋流室时，速度梯度变化呈圆环状，中心速度最高，越向外速度逐渐降低，最外缘速度最小，速度方向呈绕中心旋转的旋转运动。纵向观察图6（b）所示的旋流室轴向截面速度云图，可以看出喷嘴在旋流室内中心区域到喷嘴边缘，速度先增加后减少，认为是高压精细雾化喷嘴在喷雾过程中，中心压力变小几乎接近真空，外部气压大于喷嘴截面中心处压力，空气形成了倒吸，产生负压，使得喷嘴截面中心处速度变小；
横向来看，高压精细雾化喷嘴经旋流室后速度是逐渐增大的，速度越大，喷雾的射程越远，并从喷口高速喷出。

图6 高压精细雾化喷嘴速度云图

图7 所示为喷嘴速度矢量云图，由图可知，液体在旋流室内产生强烈的涡旋运动，涡旋的强弱对于旋流是有很大影响的，且中间区域的涡旋强度比中间区域以外的区域涡旋速度要大很多，旋流室内液体由于旋芯作用产生涡旋的同时，高速涌向出口喷出。

图7 高压精细雾化喷嘴速度矢量云图

3.2 压力场分析

图8 所示为旋流雾化喷嘴在2.6 MPa 供水压力下的压力云图。由图可以看出喷嘴在工作中，喷嘴内部压力很大，喷嘴外边缘压力几乎不变等于入口压力，压力变化主要发生在旋流室和出口处，且旋流室处越靠近中心区域压力越低，同时可以认为压力损失主要发生在于旋流室和喷口处。

图8 旋流雾化喷嘴压力云图

3.3 温度场分析

应工程需求，保温箱内丝束经过时要在20～95 ℃的环境下加热加湿，研究保温箱内温度的变化对压力的影响是非常重要的，通过前面的分析、现场实验情况以及文献资料，雾化首先在同一压力下通过设置不同的温度，来观察在喷嘴内部温度是否变化，在初始化后，设置监测出口温度走势图如图9 所示，温度走势图几乎没有变化，入口温度和出口温度是等同的。

图9 不同温度的出口温度走势

查阅资料得知温度对水的黏性是有影响的[12]，如图10 所示。为了更好地研究不同液体温度对雾化特性影响，对雾化温度在20～95 ℃的状态下压力进行数值模拟计算，此阶段的出口压力曲线图（所说的相对压力指相对大气压的压力）如图11所示。

图10 水的黏温特性曲线

图11 不同温度下出口压力曲线

从图11 可以看出，同一入口压力不同温度下出口压力是不同的，随着高压精细雾化喷嘴内液体温度逐渐升高，出口压力逐渐减小，温度越高，出口压力下降越明显，且为负压，负压的产生是因为外部空气卷吸入喷嘴，在喷嘴中轴线处形成了负压区。对比入口压力，温度较低时，压力差不明显，雾化喷嘴内液体温度越高时，压力差越大，且在较高温度时喷嘴出口压力受温度影响更加明显。在90 ℃时，入口压力为2.6×106Pa，出口压力为-6.98×104Pa，压力差最大。结合图10 水的黏温特性曲线，发现随着温度的升高，水的黏度将逐渐降低，水的黏性主要是水分子之间的内聚力引起的，当水溶液温度升高时，水分子之间的内聚力减弱。因此温度越高，水的黏度越小，射流更容易雾化，出口压力逐渐减小。

本文采用FLUENT 仿真软件对喷嘴雾化流场进行数值分析，通过观察高压精细雾化喷嘴内部速度云图、速度矢量云图和压力云图，分析高压精细雾化喷嘴在旋流室和出口处速度、压力变化比较大。对于狭缝处截面速度、速度矢量和压力云图，从中心到外侧，速度逐渐减小，压力逐渐增大；
对于旋流室处的速度、速度矢量和压力云图，旋流室内形成绕中心旋转的涡旋运动，且不断向前运动，直至到喷嘴出口高速喷出。由于工程要求在不同温度下进行湿热处理，因此对不同温度下的出口压力进行了研究，发现随着温度不断的增加，液体的黏性会下降，液体射流更容易雾化，出口压力减小，且在较高温度时，出口压力受黏温特性影响更加明显。

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