旋流喷嘴雾化的数值计算与试验研究

旋流喷嘴雾化的数值计算与试验研究

喷嘴在科学研究、工农业生产和日常生活中起着非常重要的作用。人们已经开始研究它了。然而，浓度过程是气液两相流的一个非常复杂过程，其相位和规律是复杂的。气液两相流研究的重点和难点是：经过多年的努力，通过理论分析和比较，建立了雾模型，并在现代工程应用中应用了这些理论。目前,人们已经对雾化进行了一定的研究,并对雾化机理进行了一定的理论总结.刘乃玲等人采用因次分析的方法建立了细密雾化喷嘴的准则关系式;陈斌等人通过试验研究了压力对喷嘴雾化效果的影响.但是,现有文献大多研究的是喷嘴向无流动空气中喷射时的喷雾场,对有横向气流作用的喷雾场的研究相对较少.在实际工程中,经喷嘴向横向气流中喷射液体很常见,如向高温排气中喷射液滴进行降温、某些类型动力机械的燃烧室及环保中的湿法脱硫塔等.喷嘴种类较多,常用的有直射式、旋流式和旋转式等,其中旋流式喷嘴又称压力旋流喷嘴,具有雾化锥大、结构简单、动力消耗低和雾化效率高等优点,故在工程中应用最普遍.笔者选用压力旋流喷嘴作为研究对象,采用计算流体动力学(CFD)方法对喷雾在横向流中的雾化情况进行了数值模拟,探讨了横向流场中雾化粒径随安装角的变化规律,为相关研究和产品设计提供参考.为了叙述方便,在不引起混淆情况下将压力旋流喷嘴简写为喷嘴.1喷嘴模型的建立研究对象为压力旋流喷嘴,喷嘴结构和几何参数根据工程实际需要由工程设计方法给出.根据TAB雾化模型对喷雾流场进行CFD模拟时,需要提供喷嘴的有关参数.模拟中的具体参数如下:喷嘴工作压力为0.8MPa、流量为0.124kg/s、喷口直径为3.72mm.喷嘴安装角是决定喷雾方向的几何参数,笔者将喷嘴安装角定义为喷嘴轴线与横向气流方向间的夹角,且以顺时针旋转为正(图1).当喷嘴安装角改变时,液体射流与横向气流间的相对速度大小和方向均会发生改变,从而影响液滴尺寸的大小和分布.计算模型中横向气流通流管道截面为正方形,喷嘴工作液体为水,水温与横向气流温度相同,不考虑水的蒸发.采用商业软件ANSYSICEMCFD建立流道计算模型并进行网格划分,网格为结构化网格(图2),喷嘴模型的各项参数及安装角在软件中进行设置.喷嘴喷雾是一个复杂的气液两相流过程,需要同时考虑液相和气相.在模拟计算中,将横向气流按连续相处理,采用欧拉方法描述,并用标准k-ε湍流模型来模拟;液滴视为离散相,利用拉格朗日方法对液滴进行跟踪,其破碎采用TAB模型考虑.边界条件如下:进口边界条件直接给定均匀气流速度,具体数值根据研究对象给定;管道出口为压力边界条件,设定值为大气压;管道壁面为无滑移固体边界,近壁面采用标准壁面函数.考虑到液滴的运动特性,离散相在飞出管道出口后直接离开,不再对其进行跟踪计算.结合实际情况,假设当液滴碰壁后不再飞溅,故将壁面设为捕捉模式.2喷嘴安装角的影响本文主要研究横向流速度为30m/s时喷嘴安装角对雾化的影响,以管道横截面长度为特征尺寸,此时气流流动对应的雷诺数为3×104,气流处于湍流状态,喷嘴安装角分别为45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°.2.1雾化过程数值模拟与试验为了对上述雾化模型的正确性进行验证,以自由空间中的喷嘴雾化为例,在上述网格密度下,利用数值模拟方法对喷嘴在不同喷射距离上的雾化液滴粒径进行了计算,同时利用光脉动法测试装置对雾化粒径进行了试验测量.进行自由空间中喷雾的数值模拟时,以喷嘴中心为雾化空间顶面中心点,建立了图3所示的计算空间,并按照上述横向流计算相同的网格尺寸对空间进行划分,对应空间的边界为无穷远边界条件.在雾化试验台上,利用光脉动法测试装置测量了喷嘴在不同喷射距离上雾化液滴的Sauter直径,同时结合验证试验所用喷嘴的参数对自由空间中的雾化过程进行数值计算.对数值计算得到的粒径结果按如下方式进行处理:根据验证试验设定的测量位置,从计算数据中提取对应喷射距离上液滴的数量和粒径,并计算其Sauter统计平均粒径.计算结果与试验结果的对比见图4,从图4中可以看出:计算结果与试验结果吻合较好,特别是在喷雾充分发展的阶段,两者之间的相对误差小于5%,考虑到液体雾化在理论分析上的复杂性,这样的计算结果可以用来指导工程应用.2.2安装角对雾化液滴粒径的影响在上述横向流速度条件下,对不同喷嘴安装角对应的雾化场进行了计算,液滴场的空间分布示于图5,图中横向流方向由左向右.从图中可以看出,喷嘴安装角对横向流下游的液滴分布影响较大.在喷口附近液滴较大,随着液滴向下游运动,液滴粒径总的变化趋势是逐渐减小,特别是在液滴与横向流存在相向运动的区域内,液滴粒径明显小于其他区域;当安装角大于90°时,液滴主要分布在流道的上半部分,上侧液滴浓度高于下侧,而当安装角小于90°时,流道下半部分的液滴数量相对增加,管道下游液滴分布更均匀.产生上述现象的原因是:由于液体雾化是一个逐步发展的过程,液滴在喷口附近首先破裂成大颗粒液滴,之后随着液滴向前运动,破裂过程不断进行;当液滴与气流间存在较大的相对速度时,气流会对液滴产生所谓的“二次雾化”效应,液滴粒径进一步减小.当安装角大于90°时,即通常所说的逆向喷雾,液滴与气流之间相对速度较大,相互之间的摩擦消耗了水滴的动能,使得液滴速度快速下降;同时,液滴与气流间较大的相对速度使得“二次雾化”现象更加剧烈,跟随性良好的小液滴数量增加,这两方面的因素使液滴容易分布在管道上半部分.而当安装角小于90°时,喷射方向与气流方向一致,液滴速度下降较慢,“二次雾化”现象减弱,液滴在垂直于气流的方向上可以运行更远的距离,使得其在管道横截面下部的相对数量增加,在管道内的分布趋于均匀.由于压力旋流喷嘴液滴场是典型的空心锥,当安装角变化时,液滴与横向气流之间相对速度的变化较复杂,因此安装角与雾化液滴粒径之间的关系也较复杂.图6给出了液滴场全场的Sauter平均直径与喷嘴安装角的关系曲线.由图6可见,当喷嘴安装角在75°～105°时,雾化液滴粒径随安装角增大而减小;在其他安装角范围内时,雾化液滴粒径随安装角的增大而增大.液滴粒径出现上面的变化与液滴间的破碎与碰撞融合有关.当安装角小于75°时,由于角度的关系,液滴在气动力作用下的破碎作用可能大于液滴间的碰撞作用,这时液滴粒径主要由气动力决定.因为在横向流中液滴破碎主要考虑液滴与横向流间的作用,随着安装角的增大,液滴与横向流间的相对速度变大,从而使液滴的破碎加剧,液滴粒径减小.当安装角大于75°且小于105°时,喷雾锥左侧液滴与右侧液滴碰撞几率增大,碰撞作用大于气动力产生的液滴破碎作用,从而使液滴粒径增大.当安装角继续增大时,喷雾锥左侧液滴与右侧液滴碰撞几率继续增大,但此时横向流与液滴之间的相对速度也增大,使得液滴破碎作用大于碰撞作用,因此液滴粒径减小.2.3带液滴粒径计算结果喷嘴下游不同截面上粒径的大小对设备性能有很大影响,为此考察了距横向流方向下游50mm、100mm、200mm、300mm和400mm处(以喷嘴喷口中心为原点)液滴的Sauter平均粒径,计算结果见图7.从图7中可以看出,距离喷嘴安装位置越远,液滴的平均粒径越小,但在不同横向流速度下,各截面粒径的变化情况有较大差别,横向流速度越大,下游各个截面上的平均粒径相差越不明显.在50mm横截面上,液滴粒径出现拐点,这与统计方法有关:当横截面靠近喷嘴安装位置时,部分大粒径液滴未进入统计横截面时就已经碰壁,因此总的液滴粒径结果偏小.2.4安装角对雾化液滴粒径分布的影响横向流对下游不同位置上液滴的粒径分布存在影响,这对设备性能也会产生影响.图8给出了不同喷嘴安装角时横向流下游300mm截面上雾化液滴的粒径分布.从图8可以看出,喷嘴安装角对雾化液滴粒径分布的影响与横向流有明显的联系.当安装角为45°时,液滴粒径的分布相对较集中,随着安装角的增大,液滴粒径分布有变宽的趋势,在安装角为120°时最明显.这可能与液滴的碰撞融合现象有关:当安装角较大时,液滴飞行的路线相对较长,当颗粒与气流间的相对速度很小时,液滴的碰撞融合成为液滴行为的主体,因而出现液滴粒径变大、分布变宽的现象,但随着安装角的增大,粒径分布变宽的趋势变缓.3喷嘴安装角的影响(1)在一定管道直径和横向流速