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含有限元 基于 ANSYS 喷雾器 喷嘴 仿真 研究 有限元 说明书 CAD PROE

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第25卷第1期2004年1月江 苏 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）Journal of Jiangsu University（Natural s cience Edition）Vol .25No.1Jan .2004荷电喷雾两相湍流流场的数值计算王军锋，闻建龙，罗惕乾（江苏大学能源与动力工程学院， 江苏 镇江212013）摘要：荷电喷雾可以有效地改善雾化质量和喷雾流场特性， 因此被广泛地应用于静电喷涂、 除尘、药物喷洒和液体燃料的雾化燃烧等领域.荷电喷雾湍流射流流场的数值模拟对于荷电喷雾装置的设计及确定射流喷雾的各特性参数具有重要意义.采用颗粒拟流体方法， 用a-! -ap荷电两相湍流模型对荷电喷雾气液两相湍流流场进行了数值模拟.经与实验结果对比， 该模型可以较好地模拟荷电气液两相湍流射流流场， 可用于荷电喷洒机具和荷电喷雾燃烧器的设计.关键词：静电喷雾；两相流；湍流；数值计算中图分类号：TF055文献标识码：A文章编号：1671 -7775（2004）01 -0013 -04Nu merical modeling of charged t wo-phase jet flowin electrostatic sprayWANGJHn-feng，WENJian-long，LUO t i-Cian（school of Energy and Power Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）Abstract：E lectrostatic spray cani mprove the Cuality and the field properties of liCuid atom ization effi-ciently，thus it has been used w idely in spray coating，pesticide spraying，dust control and spray com -bustion . Numerical modeling of the flowfield for the charged t wo-phase turbulent jet is i mportant tothe design of electrostatic spray eCuipment . in this study，multi-fluida-! -apt wo-phase turbulencemodel is used to si mulate charged gas-liCuid t wo-phase coaxial jet . Comparing the modeling resultsw ith experi ments，the charged gas-liCuid t wo-phase turbulence can be well predicted by this model，which can be used in the design of electrostatic sprayer.Key words：electrostatic spray；t wo-phase flow；turbulence；numerical calculation荷电喷雾技术以其良好的雾化效果和流场特性及沉积性能广泛地应用于静电喷涂、 农药静电喷洒、静电喷雾除尘及喷雾燃烧等领域1.由于强电场作用下的气液两相的相内、 相间作用极其复杂， 这方面的研究还更多地集中于实验研究.以往对荷电气固两相射流进行理论研究采用的Lagrange法， 只考虑了连续相对颗粒的单向作用而忽略了相间耦合， 同时还只考虑了单颗粒情况下颗粒的受力情况2，3.作者采用的颗粒拟流体方法既考虑了相间滑移、 扩散的耦合作用及两相相内作用，同时还考虑了颗粒相自身的湍流扩散作用， 是目前比较完整的两相流模拟方法.在颗粒拟流体诸方法中， 较为常用的有a-! - Ap、a-! -ap等两相湍流模型.a-! - Ap模型认为颗粒相仅仅是追随流体脉动而产生脉动.但近年来的实验发现， 在很多情况下颗粒脉动比流体脉动强， 这说明颗粒湍能不仅取决于当地流体脉动， 而且类似于流体存在自身的对流、 扩散、产生与耗散特性.a-! -ap模型则考虑了颗粒相的这一特性， 而建立颗粒相的湍能ap输运方程.作者运用颗粒拟流体方法中的a-! -ap模型对荷电气液两相收稿日期：2003 -06 -12基金项目：国家自然科学基金资助项目 （59776028） ；江苏大学高级人才基金资助项目 （JDG2003016）作者简介：王军锋 （1975 -） ， 男， 山东烟台人， 讲师， 博士， 主要从事静电喷雾、 荷电两相流理论及应用方面的研究! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !.湍流射流进行数值模拟.1荷电气液两相湍流射流模型荷电两相湍流与一般单相流体湍流的不同之处在于： 荷电两相湍流中广泛存在着荷电颗粒、 气相流场、 高压静电场三者之间的相互作用.对于一般单相流体湍流运动， 文献 2 给出a-E双方程模型.实验表明： 荷电颗粒在湍流气流中所受的纵向力中， 附加质量力、 压力梯度力、 浮力等仅是粘性阻力的10-3量级；Bassett力是粘性阻力的10-2量级.在回流区边缘等的大剪切流区，Saff man力往往和粘性阻力具有相同量级或高一个量级， 应予以考虑.对于稀疏两相流， 仅在颗粒碰壁的条件下才会使颗粒快速旋转， 这时必须考虑M agnus力4，5.在一般荷电两相湍流中， 由于 f p!1. 0， 而且无高剪切流区，所 以 附 加 质 量 力、Basset力、Saff man力、M agnus力均可以忽略.荷电雾滴主要受静电力、 粘性阻力、 重力的作用， 粘性滑移阻力是荷电气液相间作用的主要形式.对于静电喷雾中定常轴对称荷电气液两相同轴圆射流， 若假定荷电气液两相相间作用均匀分布于流场中， 考虑荷电雾滴颗粒相对气相的相间作用而产生的源项， 忽略重力项， 则根据单相流体a-E湍流模型方程组可得气相的时均运动守恒方程组I（ ）+1TT（T O ）=I ! （）I+1TT !T （）T+S!+S! p（1）对于稀疏悬浮流的荷电颗粒相， 可忽略荷电颗粒间的碰撞， 这时不存在荷电颗粒相内部压力和粘性， 同时忽略荷电颗粒质量损失率的脉动及阻力项的脉动， 并假设空间电场恒定， 仿照气相的推导方法， 不计重力项， 同时考虑气相对荷电颗粒相的相间作用以及高压静电场对荷电雾滴颗粒相的作用而产生的源项， 则可以得到荷电雾滴颗粒相的时均运动守恒方程I（7p p p）+1TT（T7pOp p）=I ! p p（）I+1TT ! pT p（）T+S! p（2）方程中各项变量见表1.表1荷电气液两相湍流射流方程变量Tab .1L ist of term s for the charged gas-liIuid two-phase turbulent jet flow方程变量 （ p）扩散系数 （ ! ! p）源项 （ （S!+S! p） S! p）气相方程组连续方程100X（轴） 向动量方程 e-II+I e （）I+1TTT eO（）T+# p（ pi- i）TTpR（径） 向动量方程O e-1TIT+I e （）T+1TTT eO（）T-2 eOT2+# p（Opi-Oi）TTp湍能a方程a eOaGa- E+Gp耗散E方程E eOEC1Ea（Ga+Gp）+C2 E2a荷电颗粒相方程组连续方程7pYpOp0X（轴） 向动量方程 p7pYpI7pYp p（）I+1TTT7pYpOp（）I+7pTTp（ - p）+I pYpOp7p（）I+1TTT pYpOp7p（）T+7pCpEIR（径） 向动量方程Op7pYpI7pYp p（）T+1TTT7pYpOp（）T+7pTTp（O-Op）+IOpYpOp7p（）I+1TTTOpYpOp7p（）T+7pCpET湍能ap方程ap7pYpOpGap-7pEp表中， 荷电雾滴颗粒数密度7p= li mV$ 0Np（）V气相有效粘性系数 e= + T其中湍流动力粘性系数 T=C a2E荷电雾滴颗粒相湍流运动粘性系数4Yp=C pa1 2pa3 2E荷电雾滴产生的源项中增加了电场力作用项7pCp!， 该项是采用颗粒拟流体的方法分析推导得41江 苏 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）第25卷到， 并且忽略了荷电颗粒相内部压力和粘性.其中电场强度!可用点电荷椭圆积分求解的方法1对静电喷雾环状电极感应电场进行模拟求解后得到.气相湍能产生项Ga=PT2! !（） 2+!O!（）T2+O（ ）T2+! !T+!O!（） 2相间作用产生的湍能方程源项Gap=7pYp2! p!（） 2+!Op!（）T2+Op（）T2+! p!T+!Op!（） 2荷电雾滴颗粒相本身的湍能产生项Gp= -7pmpTTp2（a-Capaap）+Yp7pOp p!7p! +Op!7p!（） T荷电雾滴颗粒相本身的湍能耗散项ep= -2TTp（Capaap-ap）-ap7p! YpOp!7p!（） +1T!TTYpOp!7p!（）T平均弛豫时间TTp=TTp 1 +Re23p（）6-1Rep=Ip-IPdpP，TTp =d2pPp18P各通用常数4，6CP= 0. 09，C1= 1. 44，C2= 1. 92，Oa= 1，Oe= 1. 33，Op= 0. 7，Cap= 0. 75，CPp= 0. 006 4，P= 18. 08 10-6（PaS）2边界条件和数值计算图1为实验采用的风送荷电雾化装置， 各参数列于表2.图1雾化结构简图F ig.1Sketch of the Sprayer表2荷电喷雾各参数Tab .2Param eters of the electrostatic spraying液相压力充电电压 10 11 200. 3 MPa-35 kV12. 0 mS16. 0 mS14. 0mS2.1边界条件的确定喷管出口 （控制容积入口） 边界条件的确定如图2所示.图2初始速度的分布F ig.2D iStribution of velocity当R#T0时： = 10， p= 20，O= 0，Op= 0，7p= 0.当T0$R$R0时： = 11，O= 0，7p= 0.其他如af，ap，ef等可通过实验获得或按公式a= 0. 005 U2，e= 0. 1a2取.2.2其他边界条件确定在无穷远处， 取 =O=a=e= p=Op=ap=7p= 02.3中心轴线处边界条件确定取径向速度O=Op= 0； 其余各变量取径向梯度!T= 0.2.4控制容积出流边界条件确定取轴向梯度! = 0.在上述边界条件下， 将a-e控制方程组在交错网格上用乘方差分格式进行差分得到差分方程组.在SI MPLE算法7的基础上， 用混合物连续方程建立压力修正方程， 采用压力速度耦合解法对两相差分方程组进行迭代求解.3计算结果与讨论将计算结果与实验结果对比 （图3、4）可以看出， 用a-e -ap两相湍流模型模拟荷电气液两相湍流射流可以取得与实际情况较为相符的结果.在射流初始段， 由于雾化喷头的存在， 气相速度存在明显的凹形.而雾滴轴向速度与气相速度一致， 也呈现出明显的凹形.可以得出， 相间滑移阻力51第1期王军锋等：荷电喷雾两相湍流流场的数值计算是气液相间作用的最主要因素， 对雾滴的运动状况影响很大.对气相而言， 在速度梯度较大的区域， 由于强剪切作用， 存在较大的湍能值.反映在数值计算的结果上， 则显示出O-r平面上有4个峰值.对雾滴颗粒而言， 在大部分区域湍能变化情况与 气相一致， 表明气相湍能在很大程度上决定了雾滴湍能； 但在某些区域， 也出现了雾滴颗粒湍能稍大的情况， 这说明雾滴颗粒相存在自身的湍动 （图5、6）.图3气相轴向速度对比F ig.3Axle velocity comparison of gas phase图4荷电雾滴轴向速度对比F ig.4Axle velocity comparison of charged droplets图5气相湍能分布F ig.5D istribution of gas-phases turbulence energy图6雾滴湍能分布F ig.6D istribution of droplets turbulence energy4结论用文中建立的a-! -ap两相湍流模型模拟荷电气液两相湍流射流与试验吻合较好.这说明将此模型用于荷电气液两相湍流射流流场预测可取得较好效果， 得到静电喷雾的喷射角、 喷射范围等参数， 为荷电喷雾燃烧器的设计及改进提供理论依据.参考文献 （R e f e r e n c e s）1 王军锋.燃油静电喷雾及荷电两相湍流射流的研究D.镇江： 江苏大学，2002.2 金晗辉， 王军锋， 王泽， 等.静电喷雾研究与应用综述 J.江苏理工大学学报，1999，20（3） ：16 -19.JI N an-hui，WANGJun-feng，WANG Ze，et al . re-viewon research and application of electrostatic sprayingJ.Journal of Jiangsu Unioersity of Science andT echnology（Natural Science edition） ，1999，20（3） ：16-19.（in Chinese）3 罗惕乾， 王泽， 闻建龙， 等.荷电两相流理论分析与计算 J.江苏理工大学学报，2000，21（6） ：50 -53.LUO t i-Cian，WANG Ze，WEN Jian-long. theoreticanalysis and calculation of electrostatic charged t wo phaseturbulent jetJ.Journal of Jiangsu Unioersity of Sci-ence and T echnology（Natural Science edition） ，2000，21（6） ：50 -53.（in Chinese）4 周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟 M.北京： 清华大学出版社，1991.5 刘大有.两相流体动力学 M.北京：高等教育出版社，1993.6 黄晓晴.湍流气-固两相流动理论及应用 D.北京：清华大学，1988.7Patankar S V.传热与流动的数值计算 M.张政译.北京： 科学出版社，1984.（责任编辑陈持平）61江 苏 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）第25卷荷电喷雾两相湍流流场的数值计算荷电喷雾两相湍流流场的数值计算作者：王军锋， 闻建龙， 罗惕乾作者单位：江苏大学能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013刊名：江苏大学学报(自然科学版)英文刊名：JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2004,25(1)被引用次数：8次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.PATANKAR S V;张政 传热与流动的数值计算 198