喷口结构对雾化流场影响规律的数值模拟

1、喷口结构对雾化流场影响规律的数值模拟李玉军，张贤杰，王俊彪（西北工业大学 机电学院，西安 ）摘 要： 喷口结 构形式 对喷嘴雾化性能有 重 要影 响 ，本 文 采 用 计 算 流 体 动 力 学 方 法 研 究 了 不同 雾 化 气 体 压 强 （）下 喷 口 结 构 对 喷 射 气 体 流 场 及 导 流 管 顶 端 静 压 强 （）的 影 响 规 律 ，建 立了 紧 耦 合 型 、环 缝 （）型 和 环孔型三种喷口结 构 的 喷 射 模 型 ，并 用 软件 进行了模拟计算 研 究 结 果 表 明 ：三 种 喷 嘴 结 构 的 抽 吸 压 强 及 导 流 管 顶 端 静 压 强 径 向 梯

2、度 随 雾 化 压 强 的 变 化 表 现 出 不 同 的 变 化 趋 势 ；环 孔 型 喷 嘴 在 雾 化 压 强 较 低 时 雾 化 性 能 最 佳 ， 型 喷 嘴 在 高 压 时 雾 化 性 能 最 佳 ；数 值 计 算 结 果 与 试 验 观 测 值 吻 合 较 好 关键词：中图号：雾 化 喷 嘴 ；数 值 模 拟 ；流 场 ；静 压 强文献标志码：喷射成形是自 世纪 年代发展起来的一种利用喷射熔融金属雾化液滴制备大块金属材料 的工艺方法由于该方法能够有效消除制备构件中 的组织偏析和晶粒粗大等问题，在高性能结构件的 研究和制备方面有重要的应用前景雾 化 器，也 称雾化喷嘴，是喷射成形的

3、关键部件，其结构和性 能直接影响着沉积坯的晶粒大小、致密程度等重要 性能参数多年来，国内外对雾化喷嘴的研究给予 了高 度 重 视 等 对 环 缝 （ ）喷嘴中雾化气体压强对其 流场中出现的开涡和闭涡现象进行了研究，提出了 “脉动雾 化”机 制；等 利用流体动力 学 软件 模拟了 环 缝 喷 嘴 中 雾 化 气 体 压强 及 喷 嘴 的 结 构 参 数 对 气 体 流 场 的 影 响；等利用 软件 对 收 缩 型 气 流 喷 嘴 的 集 气腔 和喷 管出口处的流 场 进 行 了 模 拟； 等则提 出 用 型 喷 孔 替 代 圆 形 雾 化器的环缝出口，之后发展了 个喷孔的环孔型雾化喷嘴，可在较低

4、的气压下产生超音速气流和均匀的 气 体 速 度 场； 等研 究了紧耦合雾化喷 嘴 （即 气 流 喷 缝 型 线 为 形）雾化压强对 气 体 流 场 的 影 响；等研 究 发 现雾化喷嘴的单相气体流场结构与实际雾化过程关 联性较好本文针 对 紧 耦 合 喷 嘴、环 缝 喷 嘴 和环孔型喷嘴三种典 型 雾化 器 的 雾 化 性 能 进 行了对比研究，建立了三种喷口结构的带旋流修正 湍流模型，通过模拟分析了喷口结构对雾化室 内气体单相流场以及雾化过程中导流管顶端静压 强的影响规律，对三种雾化喷嘴在不同雾化压强的 雾化性能进行了比较分析雾化喷嘴结构描述传统环 缝 喷 嘴 的 喷 气 口 截 面 保 持

5、 不 变，环孔型喷嘴是将圆形雾化器的环缝出口 改为 个单一 型喷孔，而紧耦合 超 音 速雾化喷嘴虽然仍为环缝型喷气口，但是其截面具 有 型喷孔特性图为紧耦合超音速雾化喷 收稿日期：基金资助：陕西省“”科技创新工程重大科技专项项目（）作者简介：李玉军（），男，西北工业大学博士研究生，主要研究方向为航空钣金零件成形 ：通讯作者：王俊彪（），男，西北工业大学教授，主要研究方向为飞机数字化制造与集成制造技术、先进塑性成形技术、航 空 制 造工艺与装备等航空制造与先进制造技术：嘴结构，其中， 为喷嘴气流夹角， 为熔融金属导流管的锥顶角， 为导流管的突出长 度，喷 嘴 腔 体通过进气管与高压气源相连，进气

6、口压强可由调节 阀控制 体流场以喷嘴轴线为中心线，呈轴对称分布，因此取流场对称面 的 作 为 计 算 区 域，如 图 （）所 示模型中，高压气体由左端压强入口进入，从上端 和右端的压强出口释出，流场的中心轴线位于计算 区域 底 端为 提 高 计 算 精 度，采 用 四 边 形 结 构（ ）网格进行划分，在雾化气体刚离开喷 嘴时，出现较强的压强梯度，需要加密网格划分；远离喷嘴出口处气流较为平稳，则网格较稀疏环孔 型喷嘴为周期对称结构，因此取单个 喷孔单元作为计算 区 域，采 用 六 面 体 结 构 （ ）网格划分流场，如图（）所示图紧耦合超音速喷嘴的机构图 为对比三种喷嘴结构对气体流场的影响，保

7、持其它结构参 数 不 变，利 用 软 件 进 行 数 值 模 拟研究环孔 型 喷 嘴 正 面 视 图 如 图 （）所 示，本 文 对 比 研 究 的 环 孔 型 喷 嘴 的 喷 口 由 个 小孔构 成；紧 耦 合 雾 化 喷 嘴 和 型 喷 嘴均为环缝型喷口结构，如图（）所示喷嘴的结 构参数见表图 雾化喷嘴的计算区域与边界类型 边界条件流场的边界类型如图 所示其中，环缝型喷图 雾化喷嘴正面视图表 喷嘴结构参数 名称大小嘴的进口边界设置为压强进口边界类型；雾化室出口边界设置为压强出口边界类型；流场中心线设置 为对称线类型；其余设置为壁面类型；三维喷孔单 元的截面设置为周期性边界类型，其它与环缝型

8、喷 嘴一 致详 细 设 置 如 下：喷 嘴 进 口 总 压 在 范 围 内 选 取；实 验 室 实 测 环 境 压 强，因此设定雾化室出口压强 为 ，温度为；壁面边界处为近壁面 流 动，采 用标准壁面函数计算；雾化气体为氩气，简化为理喷嘴气流夹角（°）导流管顶角（°）导流管突出长度导流管内径导流管顶端外径雾化喷嘴数值计算模型网格划分由于环缝型喷嘴是轴对称结构，理想状态下气想气体处理与网格单元数量相关；模拟计算中认为入口压强等同于集气腔压强，均匀一致，而试验中集气腔中存 在压降；试验中压强测量端头会对流场产生影响求解方法和收敛判定目前流体计算中基于压强和基于密度的求解 器已广

9、泛通 用，但 基 于 密 度 的 耦 合 算 法 （ ）在气体高速流动时计算精 度更高，而三种喷嘴喷气口气流速度均超过音速， 因此本文建立带旋流修正 湍流模型（ ），采用基于密度 的 耦合隐 式 （ ）求解格式，同时求解连续方程、动量 方程和能量方程为保证求解精度，计算通量方法均为二阶迎风格式本文在流场中关键位置设置若 干观察点，当静压强不再发生变化并且能量残差降 低个数量级时认为收敛图抽吸压强测量示意图 结果与分析本文所建喷射模型采用计算流体动力学软件 进行 计 算，对 三 种 喷 嘴 结 构 在 不 同 雾 化压强下的内抽吸压强、喷口导流管顶端径向静压 强分别进行了模拟分析，计算结果及其分

10、析如下抽吸压强变化熔融金属雾化液滴的质量中值直径和尺寸分 布是衡量喷嘴 性 能 两个最 为 重要的 指 标 经验公式表明质量中值直径主要取决 于气体和熔融金属的流速比值（气液比）通过提高 气液比，可以降低液滴直径当导流管内径一定时， 金属流速仅受抽吸压强 （ ，其 中 表示导流管顶端压强值， 表示周围环境压强 值）的影响抽吸压强呈正压状态（ ）时，将会减缓金属的流速，甚至会导致气体通过导流管进 入坩埚，出现熔体起泡现象，严重时会造成熔融金 属反喷；在负压状态（ ）雾化时，金属熔体将会被抽进雾化区，加速金属的流速因此，抽吸压强 的稳定性成为衡量喷嘴雾化特性的直观表征图为用 型管测量导流管顶端抽吸

11、压强的示意图，测 量精度紧耦合雾化喷嘴的导流管顶端压强（）随雾化气体压强（）变化的数值模拟与试验测量结果 如图所示，紧耦合喷嘴导流管顶端压强计算数值 与试验结果有一定的差别，但是变化趋势相同，并 且最大误差 不 超 过 ，表 明 本 文 的 数 值 模 拟 结 果可信度较高误差产生的原因可能为：中 计算过程中是在单元内部的节点上求解的，其精度图雾化喷嘴 随 的变化 从图所示的模拟结果可以看出，当雾化气体 压强较小时，三种喷嘴的抽吸压强 均随雾化气 体压 强 增 大 而 减 小而 当 雾 化 气 体 压 强 高 于 时，紧 耦 合 喷 嘴 和 环 孔 型 喷 嘴 的 抽 吸 压强基本保持稳定，雾

12、化气体压强并不能持续提高抽吸效应，从而使雾化过程中熔融金属流速基本恒定，气体流速持续增大，气液比增大，从而降低雾化液滴 尺 寸但 是 当 雾 化 压 强 高 于 时，环孔型喷嘴抽吸压强进入正压状态，抽吸性能急剧下降因 此，环 孔 型 喷 嘴 仅 在 一 定 的雾化压强范围内具有较好的抽吸效应和雾化性能；环缝 型喷嘴在低雾化压强区的抽吸效应和雾化性能差，但在高雾化压强区的抽吸效应和雾化 性能好图数据表明，负压是由于高速气体流过导流 管端口时对端口前端气体产生了抽吸作用，使该区 域的气体被抽走而形成回流区，即抽吸压强是由进入和离 开 回 流 区 的 气 体 流 量 差 引 起 的 等人对导流管顶端

13、“闭窝”现象的研究表明抽吸压 强的变化与雾化室中心线上滞止压强和马赫碟位 置的变化相 一 致，滞 点 位 置 对 抽 吸 压 强 的 作 用 不大因此，滞止压强的大小能够表征气流进入回流 区的多少滞 止 压 强 越 高 说 明 此 处 的 气 体 密 度 越大，进入回流区的气体量也就越大，导致抽吸压强值变大，雾化过程中抽吸效应减弱同时，马赫碟的 出现导致了回流区被分离成两部分，限制了回流区内气流向导流管顶端流动，造成抽吸压强的减小图数据表明，三种雾化喷嘴抽吸压强的变化 与雾化室中心线上滞止压强的变化相一致，说明喷 口结构的不同导致流场中心线上高速气流交汇点 发生变化，滞止压强相应发生改变径向压

14、强变化图 所示为不同雾化压强下三种喷口导流管 顶端的静压强与径向距离的关系图导流管顶端回流区的速度矢量分布图流场中心线上滞止压强变化曲线图导流管顶端径向静压分布 图的数据表明，导流管顶端的静压在径向距离上存在压强梯度由于该压强梯度的存在，雾化 过程中，自导流管流出的熔融金属呈膜状分布于导 流管顶端，随后在高速雾化气流的作用下发生初次 破碎，形成条带状或条状液流，随后在表面张力的 作用下发生球化，成为较大的金属熔滴这是被广 泛接受的一 种 雾 化 破 碎 机 制 等 的 实 验 表明，在相同雾化气流速度条件下，液膜的厚度 值越大，初次破碎后形成的金属熔滴尺寸越大，尺 寸分布也越不均匀而液膜的厚度

15、与导流管顶端存 在的压强梯度成反比，即压强梯度越大，液膜厚度 值越小因此，压强梯度越大，所得初次破碎熔滴尺 寸值越小，分布也趋于均匀，雾化效率得以提高图的 数 据 表 明，在 雾 化 压 强 较 低 时 （ 、 ）， 型喷嘴的静压强梯度 最大，喷孔型次之，紧耦合型最小但 型喷嘴在低压区抽吸压强为正压，这将导致液流流 速减小甚至发生反喷，而 环孔型和紧耦合型 喷嘴的抽吸压强为负压，虽然静压梯度略小，但仍 能保证熔融金属稳定雾化在雾化压强较高时（ 、 ）， 型喷嘴在保证抽吸 压强为负值的前提下具有相对最高的压强梯度，雾化效果最好；而紧耦合型喷嘴由于雾化压强增大到 某一临界值后抽吸压强保持稳定，熔融

16、金属的流速 基本不变，但压强梯度持续增大，从而使液膜厚度 减小，初次破碎熔滴尺寸均值减小且分布均匀，使雾化效率得以提高但在总体上，随着雾化气体压 强的增大，三种结构的喷嘴导流管顶端静压梯度值均有增大趋势，从而使得雾化效率随着雾化压强的增大而提高的雾化特性最佳，紧耦合型次之；而当雾化气体压强较高时， 型喷嘴的雾化特性最佳，紧耦合 型次之参 考 文 献： ， ： ， ， ，（）：， ， ，（）： ， ，（）： ， ， ，（）： ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， 结 论）利用 软件模拟了紧耦合型、 型和 环孔型三种喷嘴的流场结构，发现喷口 结构对气体流场有显著影响与抽吸压强的试验观 测结果对比表明，模拟计算误差不超过，且变 化趋势吻合良好，表明该数值计算模型可为分析雾 化喷射流场