结构参数对离心喷嘴出口液膜厚度的影响

邱庆刚，贾丹丹，朱晓静，尹晓奇，沈胜强

(大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024)

离心式喷嘴结构简单，动能消耗低，喷淋扩散角大，而且不易堵塞，所以在石油化工、海水淡化、喷淋干燥以及航空等行业中具有广泛的应用.离心式喷嘴喷射过程:液体通过喷嘴入口被加速并进入旋流室，旋转的液体被离心力甩向旋流室壁并形成1个空心锥，液体以不断变薄的液膜形式从喷嘴出口离开，液膜是不稳定的并破碎成索带状和液滴.一般认为从喷嘴喷射整个过程可分为3个阶段:液膜形成、液膜破碎和形成液滴［1］.

近年来国内外学者对喷嘴喷淋特性进行了大量的研究.刘联胜等［2］研究了环状出口气泡雾化喷嘴出口的液膜破碎过程与喷雾性能;王晓英等［3］设计了双流体喷嘴，利用气体动能提高雾化效果.J.C.Thompson等［4］对扇形椎喷嘴和中空锥形喷嘴的流动和出口液膜的稳定性进行了试验研究;Han Zhiyu等［5］用数值模拟的方法对旋流式喷嘴喷射的液膜厚度和液滴进行了研究，测出了喷嘴出口处液膜的厚度，并拟合出喷嘴锥形液膜破碎长度的半经验公式.

笔者应用VOF的界面跟踪方法和realizablek-ε湍流模型对喷嘴出口液膜进行数值研究，分析喷嘴出口结构参数对液膜厚度的影响规律.

1 数值模拟方法

1.1 计算方法

在数值计算中采用VOF算法模拟喷嘴内外的流动过程.C.W.Hirt等［6-7］最早提出了 VOF方法，此方法可适用于任何2种不可压缩、不混合，且相互间滑移可忽略的流体计算.本研究的工质为水和空气(压缩性不强时)，适合VOF方法.

VOF方法根据定义1个标量场函数体积分数φ来表征第2流体在计算单元中的分布，大小为第2流体在单元中所占体积分数.若φ=0，则在单元全部为第1流体;若φ=1，则说明该单元全部为第2流体所占据;当0＜φ＜1时，则该单元中部分为第1流体，部分为第2流体.文中空气为第1流体，液态水为第2流体.根据文献［8］的结果，本研究采用realizablek-ε湍流模型.

1.2 控制方程

假定气液两相之间不存在化学反应和物理相变，且不考虑相间和相内的热交换，流体按照不可压缩处理.VOF模型控制方程如下:

连续方程为

式中:p为流体时均压力;t为时间;u为时均速度.

动量方程为

式中:g为重力加速度;F为体积力;ρ为流体密度.

体积分数方程为

式中:φ2为液相体积分数，ρ=φ2ρ1+(1-φ2)ρ2;ui=φ2ui1+(1-φ2)ui2，下标1，2 为气相和液相.

realizablek-ε模型的k和ε运输方程为

式中:E为平均应变率;υ为运动黏度;C1，C2为常数.

1.3 网格和边界条件设置

利用GAMBIT软件对计算区域进行网格划分.在进行网格划分时，考虑到不同位置处流动情况的不同，对喷嘴旋流室采用四面体混合网格划分，圆柱喷射区域采用六面体结构尺寸划分，网格总数为332 848，节点数为284 026.计算中，将喷嘴旋流室顶部中心定为坐标原点，沿旋流室轴向方向取为z轴方向，与其垂直的面为xy面.物理模型和网格如图1所示.

图1 计算网格划分

喷嘴进口设置为速度入口，而且入口第2相体积分数设置为1，即表示喷嘴进口进入的全为液体(水);分别对流量为 0.83，1.11，1.27，1.38，1.55，1.66 kg·s-1等几个工况进行模拟.空气入口采用压力入口，表总压设为0 MPa，第2相的体积分数设为0，即表示空气入口进入的只有空气.喷嘴出口为压力出口，出口第2项回流比设置为0，即当发生回流时，回流全部为气体(空气);其他边界采用标准壁面函数进行计算.

2 计算结果与分析

2.1 计算结果和试验结果的对比

在本研究中，喷淋半锥角的确定引用文献［9-11］的方法，即通过喷口处液膜的轴向、径向和切向速度进行计算获得喷淋半锥角.喷淋半锥角函数定义为

式中v轴，v径，v切分别为轴向、径向和切向速度.

试验值［9］和模拟值的比较如图2所示.

图2 试验值和模拟值的比较

从图2可以看出:模拟值要比试验值小，而且随着流量的增大，模拟值和试验值之间的差越来越小.在建模时，为了便于建模和模拟计算，将喷嘴的结构尺寸稍微进行了简化，对一些边缘位置和死角处做了简单的处理.另外在计算中，对工质的物性参数和计算问题做了某些简化假设，这样导致物理模型和实际喷嘴存在一定的偏差，导致最后模拟结果和试验结果有一定的误差.喷淋半锥角模拟结果和试验结果的最大误差为15%.从试验结果和模拟结果的总体变化趋势来看，二者的变化趋势是一致的.

2.2 喷嘴出口液膜厚度的分析

入口速度v=1.94 m·s-1时，x=0处截面(喷嘴轴截面)的两相图如图3所示，液体在进入旋流室后，液膜紧贴喷嘴内壁，在旋流室内的液膜厚度不同.在旋流室轴心线处形成一个低压区，对喷嘴出口外的空气抽吸，在抽吸的作用下，会出现一个锥形的空气心，越靠近出口，空气心半径越大，液膜越薄;距离喷嘴出口的距离越远，液相的体积分数越小，在喷嘴出口下方约15 mm位置处，液相体积分数已小至0.5，可以认为在此处喷淋液已完全破碎为液滴.

图3 x=0界面局部位置两相分布图

在喷射充分发展的情况下，喷嘴出口处的横截面的气液两相分布如图4所示.

图4 喷嘴出口处液膜厚度示意图

从图4可以看出:液膜在此截面上以环状形式存在，分布在周边区域，中间有一空心气锥，空心气锥呈圆柱形存在.此截面上，在由轴心位置沿径向方向发展的过程中，液相体积分数由0增大到1，最后在最边缘区域减小至0.具体的液相体积分数的分布如图5所示.

图5 流量为1.11 kg·s-1时的液相体积分数分布

将液相体积分数大于0.5的节点定义为液膜区域，其他区域对应空气锥区，夹在0和1之间的区域为气液相界面.根据液相体积分数的分布可知:在此处液膜区域的水平距离为6.00 mm，考虑到喷淋半锥角为55°，则此处的液膜垂直厚度为3.45 mm.不同流量下的喷嘴出口液膜厚度的分布如图6所示.

图6 不同流量下的喷嘴出口液膜厚度

从图6可以看出:在同一入口流量下，液膜在离开喷嘴后，液膜的厚度随轴向距离的增大呈下降趋势，在出口处的厚度最大，离开喷口的距离越远，液膜厚度变得越来越薄.这是因为在液膜的发展过程中，液膜和空气气流相互作用的结果，随着流量的增大，在喷嘴出口附近位置的液膜厚度较大.然而从液膜破碎距离来看，流量越大，液膜的破碎距离越短.因此可以得出，在低流量下，液膜的破碎长度较长，流量越大，液膜越能够更快地破碎.

2.3 喷嘴出口结构对出口液膜厚度的影响

分析了喷嘴出口扩散角、喷嘴出口直径和喷嘴出口直管段［12］等结构尺寸的改变对喷嘴出口后的液膜厚度的分布和液膜破碎长度变化的影响规律.

2.3.1 出口扩散角的影响

喷嘴入口流量为1.11 kg·s-1，即入口速度为1.94 m·s-1时，喷嘴出口扩散角分别为 0°，36.8°，45.0°，60.0°时，喷嘴出口外的液膜厚度沿轴向距离的分布如图7所示.

图7 不同出口扩散角时液膜厚度分布

从图7可以看出:扩散角越大，同一位置的液膜厚度较薄.出现此现象的原因是:当出口扩散角变大时，出口处的喷淋锥角度会变大，喷淋液所占的区域也变大，喷淋液膜和空气的接触面积增大，使得在液膜的发展中和倒吸的空气流相互作用变大，液膜表面的不稳定波动变得更加强烈，加速了液膜的破碎.然而，从喷射距离来讲，由液膜破碎而形成的液滴，在运动中会受到空气阻力和其他液滴的碰撞作用，因此和液膜相比，液滴的喷距会较短些.由此可以得出:喷嘴出口扩散角变大，喷淋锥角变大，液膜破碎距离变短，即液膜更容易破碎，有助于喷淋液的雾化，而喷距会随喷嘴出口扩散角的增大而减小.

2.3.2 出口直径的影响

喷嘴入口流量为1.11 kg·s-1，即入口速度为1.94 m·s-1时，喷嘴出口直径d分别为 34，36，38，40 mm时，喷嘴出口外的液膜厚度沿轴向距离的分布如图8所示.

图8 不同出口直径时液膜厚度分布

从图8可以看出:在喷嘴出口处(x=0)，出口直径越大，液膜的厚度稍大些，原因是出口直径越大，喷嘴从旋流室到出口的流道截面面积变化较小，在此处流体的动能损失相应变小，在旋流室内充分旋转形成的环状液膜受到的波动较小.在液膜的发展过程中，喷嘴下方某一轴向位置处，出口直径越大，该处的液膜厚度也越大，液膜的破碎距离也越长.喷嘴直径越大时，旋流室内的空气心会比较大，此时在两相界面处，液膜和空气的相互作用会增强，空气气流相对于液膜的逆向流动会使液膜的波动增强，导致液膜不稳定性增强.

2.3.3 出口直管段长度的影响

喷嘴入口流量为1.11 kg·s-1，即入口速度为1.94 m·s-1时，喷嘴出口直管段长度l分别为2，4，6，8 mm时，喷嘴出口外的液膜厚度沿轴向距离的分布如图9所示，喷嘴出口直管段越长，液膜破碎长度越短.原因是当喷嘴出口处的直管段较短时，在喷嘴旋流室内已完成充分旋转的液体在此处的动能损失较小，使得在离开直管段时，喷出的液体的速度较大，即液膜的速度较大;当直管段较长时，液体在出口处的扰动比较激烈，使得在旋流室内充分旋转而成的液膜受到的波动较大，导致出口后的液膜厚度较小.从总体来看，出口直管段长度对液膜在喷嘴出口后期发展的影响不大，作用不明显.

图9 不同出口直管段时液膜厚度分布

3 结论

1)液膜在喷嘴出口处以环状形式分布，喷嘴旋流室内液膜紧贴喷嘴内壁，在中心形成一个空气锥，越靠近出口，空气心半径越大，液膜越薄.喷嘴入口流量增大，液膜厚度变大，液膜的破碎距离越短.

2)出口扩散角越大，液膜越薄，液膜破碎长度越短;出口直径越大，液膜破碎长度越长，但是液膜厚度不稳定，尺寸上下浮动较大;喷嘴出口直管段越长，液膜破碎长度越短，但对液膜在喷嘴出口后期发展的影响不是很大.

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