基于FLUENT的变间距喷雾干涉数值模拟

唐 聪

(成都市西华大学机械工程学院 610039)

1 前言

中国淡水资源较少，随着我国能源严重紧缺和企业浪费，人均可用能源越来越少，社会的发展和人类的生存离不开能源的合理配置。节约能源、提高利用率是缓解能源供需矛盾的根本途径。目前，各大型企业与工厂中开始研究利用循环水节能的冷却方式，代替原有耗能较高的电机冷却塔冷却，雾化冷却降温方式被越来越多的关注。[1-2]水冷风机结构被提出，其原理是将带有压力循环水通过管路送到喷嘴，由雾滴的形式喷出，雾滴与空气快速换热，达到循环水降温的目的。为提高液滴与空气接触面积从而提高冷却效率，雾化降温装置常采用多个喷头进行组合，喷雾时便会产生干涉区域。在干涉范围中，雾滴密度变大，受到湍流脉动的作用，雾滴运动具有很大的随机性，雾滴间发生碰撞的过程不可避免。陈曦，葛少成[3]对多喷嘴喷雾效果进行了干涉数值模拟，通过增加喷头数目可产生更加均匀的粒径分布，同时可提高除尘效率。徐胜荣[4]等对一种旋转式双喷嘴喷头进行研究，通过改变喷头结构参数可改变雾化射程与喷射方式。孙婧元[5]等利用声发射技术，结合多次扫描累加的快速傅里叶变换与声能量分析等处理手段，发现了喷雾声信号随雾化效果的变化而改变的规律。吴恩启[6]通过实验与仿真结果进行对比，发现喷嘴喷雾实验结果和FLUENT仿真结果误差在6.5%以内，验证了仿真方法的合理性和有效性。

本文基于FLUENT软件，在充分考虑湍流模型、组分模型、能量方程、破碎模型、碰撞模型的方式下，以改变间距的方式对双喷头的雾化效果进行数值模拟，研究喷头间距对雾化效果的影响。

2 雾滴破碎与碰撞理论

2.1 破碎模型

TAB破碎模型是研究液滴变形与破碎的经典方法，[7]该模型是由液滴的振动与弹簧系统进行泰勒类比得到的。其原理是将液滴表面张力Fσ类比弹簧刚度，液滴阻力Fα类比外力，液滴黏性力Fµ类比阻尼力。为便于描述，引入变形率y，为一个无量纲数：

式中：x为初始液滴赤道半径的变形量，m；r为初始水滴半径，m；Cb为无量纲数，通过实验，Cb=0.5。

液滴在空气阻力的作用下发生变形，则球形液滴的受力方程为：

式中：ρa、ρd分别表示空气与水滴的密度，kg/m3；ua、ud分别表示空气与水滴的速度，m/s;

σ表示水的表面张力，N/m；µd为液滴的动力粘度，kg/(m·s)；当y=1，则认为液滴已经破碎；CF、Ck、Cd为无量纲参数：CF=1/3，Ck=8，Cd=5。[8]

2.2 碰撞模型

当两个雾滴颗粒发生碰撞时，会产生聚合或分两种结果。韦伯数We和斜碰率C可描述液滴碰撞前的初始条件。[9]雾滴在碰撞之前，雾滴动能与表面张力之比为韦伯数；两个雾滴之间用斜碰率表示碰撞状态，看是否为正碰。当0＜C＜1，即斜碰率较大时，为斜碰分离，碰撞效果主要由于流体的相对剪切运动造成;当C=0，即斜碰率较小时，碰撞效果为正碰分离，主要由于初始动能过大引起，当C≥1时，液滴之间不会发生碰撞。

式中：ρ为流体密度，kg/m3；u为特征流速，m/s；r1、r2为特征长度，m；σ为流体的表面张力系数，N/m。

随着雾滴初始动能增大，如果韦伯数较小时，两个雾滴碰撞瞬间会聚合成较大雾滴，随着韦伯数增加，两个雾滴碰撞后会发生分离，产生多个更小粒径的雾滴。如果已知雾滴群的粒径分布情况，可以通过下式计算出粒径ri与粒径rj的碰撞概率：

3 模拟方法

雾化场简化为直径4m、高为6m的圆柱，用ICEM划分网格如图1所示。中央粒子集中区域进行网格加密，网格数量为54万个，质量在0.7以上，满足雾化仿真要求。将网格导入FLUENT，打开双精度增加模拟准确性。打开组分方程描述雾化场初始成分；打开能量方程追踪喷雾过程能量变化；喷雾过程是一种急剧变化的过程，打开湍流方程k-ε模型描述；喷雾过程中，雾滴会发生破裂与碰撞，碰撞过程中又会发生破裂与结合，因此打开离散相方程，打开breakup破碎方程与随机碰撞方程，通过injection设置喷头数量、结构参数、初始条件，喷头结构如图2所示，其结构参数与初始条件如表1所示。用Couple耦合方式进行迭代以提高模拟准确度，均采用瞬态数值模拟方法，时间步长为0.001s，喷射介质为55℃的待冷却的液态水，外界为30℃的大气，液滴均可逃逸。首先对单喷头数值模拟后，改变喷头数量，改变双喷头间距为120mm、150mm、180mm，分别进行数值模拟。

图1 雾化场网格

图2 喷头结构

表1 喷头结构与初始条件

4 计算结果与分析

4.1 计算结果

通过切片与捕捉的方法，捕捉雾滴轨迹如图3所示，捕捉温度云图如图4所示，获得单喷头与不同间距下的雾滴平均直径离散数量概率分布如图5所示：

图3 雾滴轨迹

图4 各条件温度云图

图5 各条件下粒径概率分布

4.2 结果分析

由图4可知，随着间距的增大，干涉区域水温变化量较小，随着间距增大中间轴线温度有减小趋势。由图5分析可知，单喷头时，粒径大小主要分布在0.15～0.6mm之间，最大粒径可达1.8mm；双喷头间距为120mm时，粒径主要分布区域在0.1～0.8mm之间，最大的液滴直径到达2mm；间距为150mm时，粒径主要分布在0.1～0.75mm之间，最大液滴直径达到了2.2mm；间距为180mm时，粒径主要分布在0.1～0.6mm之间，最大液滴直径超过了1.6mm。但与喷头粒径结果相比，喷头为两个时，提高了雾滴之间相互碰撞与结合的概率，大粒径颗粒可通过碰撞破碎后减小粒径，小粒径也可能碰撞后结合成较大径粒，从而提高了粒径的均匀性，使得平均直径分布区间粒径比率相应增加。

5 结论

通过FLUENT数值模拟的方法，对单喷头与双喷头在不同间距下雾化效果进行了仿真。从仿真结果来看，当喷头数量增加时，可以提高粒径分布均匀性；喷头间距的改变可影响雾滴的均匀性以及最大雾滴尺寸。本文对多喷头具体布置设计有一定参考价值。