高粘流体湍动雾化射流性能的研究

【摘要】 液体雾化技术有广泛的应用背景，分布在不同的工业领域中。在现代工业领域中，涉及到的雾化对象已经从传统的简单流体往复杂的高粘度流体发展，传统的雾化喷嘴技术在应对这些高粘复杂流体时，其效果总是不够理想。目前研究表明，气泡雾化喷嘴是一种新型的而且适合用于雾化高粘流体的雾化喷嘴。本文针对气泡雾化喷嘴，用Fluent软件对其雾化过程进行了深入的研究。气泡雾化喷嘴内部流场的模拟是用多相流模型跟踪气液两相界面并分析内部流型的转变过程。对不同粘度的流体工质在气液质量流量比（GLR）为0.02~0.20之间变化时的两相流流型变化过程进行了模拟，得到的结果是内部气泡流流型随着GLR从0.02到0.2的增大而从气泡离散分布的气泡流逐渐向气泡聚合的状态过渡并最终在喷嘴内部形成典型的环状流形态。将喷嘴外部雾化阶段分为一次雾化过程和二次雾化过程。首先通过对喷嘴内部流型的分析结合已有的一些经验公式对一次雾化时液膜破碎过程建立计算模型，并用实验数据对模型进行验证，再对不同工况参数下不同粘度的流体工质进行一次雾化计算。将一次雾化计算结果作为外部射流场雾滴运动过程的初始参数，弥补了一般研究方法将喷嘴内部过程分开研究的不足。对喷嘴外部射流场中雾滴运动特性的发展规律，采用Fluent中的DPM离散相模型进行模拟计算。分别对气液质量流量比、供气压力、喷嘴出口直径、液体物理性质等主要工况参数对射流场特性的影响过程进行了计算，得出了射流场中雾滴粒径的轴向以及不同轴向距离的径向分布规律。对将气泡雾化喷嘴应用到高粘流体的雾化中提供的较为详细的模拟研究数据，并为对应的实验研究提供计算支持。 

1   绪论

液体雾化技术的研究在各种工业领域都有着广泛的应用需求。本章以传统流体雾化技术的应用范围和现代化工业领域中对流体雾化技术的发展要求为出发点，提出了雾化技术的研究背景以及研究意义，同时论述液体工质雾化技术机理的研究进展和气泡雾化喷嘴技术的研究现状以及雾化质量性能指标，最后叙述了本文的主要内容以及相关的研究方法。

1.1   研究背景及意义

液体雾化是指将以连续形态存在的液体破碎成离散状态存在的液滴群的过程。自然界可以观察到许多雾化现象，如雨滴、浪花等，而人工雾化则通常利用喷雾装置实现液体雾化。雾化射流技术在社会生产和生活中具有广泛的应用基础，涵盖了工业、农业、日常生活等各个领域。

在能源领域，各种燃烧设备包括内燃机、汽轮机、锅炉等所用的液态燃料在燃烧前都需要经过雾化处理，雾化会增加液体的表面积从而使液体与气体的混合更加充分，达到更好的燃烧效果，提高燃料的利用率，所以雾化射流技术是能源领域的一项关键技术。

在喷涂领域，如纺织复贴技术、热喷涂等技术就是通过雾化黏胶或者其他液体涂料并使雾化后的液滴在气流中运动最终与基板撞击从而摊开形成薄膜。此时，雾化液滴的粒径对喷涂结果的致密性、均匀性、粘贴强度等关键参数有着很大影响。

还有很多其他领域也有涉及流体雾化技术，如雾化干燥和降尘、雾化冷却、消防灭火、农业灌溉、制药以及粉末颗粒制备、喷墨打印和喷雾清洗等。在这些实际应用领域里，有适合使用传统的雾化喷嘴就可以获得良好效果的，也有随着现代新技术的出现而出现的特别领域，传统的方式难以取得良好的预期效果。

1.2   液体雾化机理

液体工质的雾化可以由很多不同的方式进行，不过不论哪种方法，都有些基本的因素可以适用于其雾化过程：

（1）雾化射流形成表面波的发展过程以及其中气体产生的扰动作用，这个过程中涉及到了射流表面波的生成和进一步发展变化的理论以及空气动力学的原理，雾化过程中导致雾化射流破碎成细小碎片、线以及较大直径的液滴颗粒等，最终雾化成小粒径液滴。

（2）雾化过程中喷嘴的结构特征、内部的流体流型、喷嘴内外压差、雾化过程中的辅助气体的性质与液体工质本身的物理性质，这些因素对雾化射流的形态、扩散角度、贯穿距离以及雾滴粒径和在射流场的运动速度等在射流场中分布情况都有关键的影响作用。这些影响雾化射流性能的因素之间都不是相互孤立的，它们之间总是互相影响、互相作用，共同决定着最终雾化射流形态。

液态工质的雾化过程的内在机理研究向来都是喷雾过程研究中的一个重要的难点，到目前也还有很多需要进行完善的地方。对雾化射流过程的研究往往需要基于深厚的流体力学理论知识与扎实的数学功底，，才能对其中涉及到的物理模型、数学模型等进行准确的构建。对其中涉及到各种边界的分析，参数的正确确定都要求有严密的推导过程。

对液体的雾化过程机理的研究，大多数情况下都是在雾化射流技术的实际应用之后，往往是人们在实际应用的过程遇到问题，需要通过研究其雾化机理对应用进行改进和完善的时候才会开展。在 20 世纪从 30 年代才有人开始了对流体工质的雾化机理的进行研究，时至今日仍然有些雾化射流方式的机理没能完全的研究透彻。研究开展以来，主要形成了以下几种主要的雾化机理学说。

2   气泡雾化喷嘴原理

气泡雾化喷嘴是最早在 20 世纪 80 年代由 Lefebvre 等人提出的一种新型的气体辅助式液体工质雾化喷嘴技术。这种喷嘴的雾化机理是把辅助气体以略高于液体工质的压力通过注气孔注入喷嘴内部的流体中，并形成稳定的气泡两相流，在两相流从喷嘴出口射出时，由于两相流中气泡内部气压比喷嘴外部环境压力要高，此时气泡会迅速膨胀、爆裂并时连续的流体雾化成离散的雾滴状态。

2.1   气泡雾化喷嘴的研究现状

自 Lefebvre 等人提出了气泡雾化喷嘴技术，随着三十年来国内外研究工作者对其机理和特性的不断深入研究，其在许多的领域中的独特优势也在不断展现。图 2.2所示图表来自S.D.Sovani 等人在2000年发表的文献，其显示了气泡雾化喷嘴自从被提出以来到1998年为止每年针对气泡雾化的研究文献数量。进入21世纪后，气泡雾化技术的优势在更多领域中得到体现。

 针对气泡雾化技术的研究一般都是关于喷嘴内部流场特性或外部流场粒径分布特性的。最早对喷嘴内部流动特性进行实验研究的是Roesler，研究采用对喷嘴出口阶段的气泡两相流进行拍照的方法，研究结果发现了喷嘴内部流态从气泡流向环状流的转变过程，Chin 等的研究也得到同样的结论。Lin 等人利用激光和摄像机对不同气液比、喷嘴出口段收敛角以及出口直径与长度比值等因素对喷嘴内部流型和出口液膜厚度的影响。Catlin研究了弹状流型和环状流型对气泡雾化过程的不同影响。

2.2   气泡雾化喷嘴结构特征

气泡雾化喷嘴的基本结构包括四个部分：液体进口、气体进口、气泡两相流混合区和喷嘴出口。实际应用当中的气泡雾化喷嘴具体几何结构虽然各有不同，但是它们都是基于同一种雾化机制，都是使辅助气体注入内部液体中形成气泡两相流从喷嘴出口处射出。

图 2.3 所示的是一种较为经典的气泡雾化喷嘴的内部结构。气泡雾化喷嘴的结构一般整体长度在100mm左右，直径在 50mm左右，根据应用环境的不同会进行细节调整。气泡两相流形成的混合区直径在5mm至 25mm之间，喷嘴出口直径在0.1mm至2.5mm之间。

根据喷嘴内部气体注入液体时的相对位置不同，可以把气泡雾化喷嘴分为两种类型：外气内液型喷嘴和内气外液型喷嘴，如图 2.4 中（a）与（b）所示。其中外气内液型是指液体工质在喷嘴内部的多孔管内部流动，而辅助气体则以高于内部流体的压力从多孔管外部注入，在多孔管内部形成气泡两相流，再通过喷嘴出口喷射进行雾化。内气外液型则是多孔管位于喷嘴内部的流体中间，气体从多孔管内部以高于液体的压力向外注入包围多孔管的液体中混合形成气泡两相流，再从喷嘴出口射出实现雾化过程。

3  湍动雾化内部流场特性研究........ 24

3.1   喷嘴内部结构参数 ........25

3.2   物理模型和网格划分........ 26

3.3   喷嘴内部两相流模型和边界条件............. 27

4   湍动雾化一次雾化过程计算 ......... 36

4.1   一次雾化概述.......... 36

4.2   理论计算................... 37

5   湍动雾化下游流场二次雾化特性研究............ 45

5.1   计算基础.............. 45

5.2   射流场稳态模拟.......... 47

5   湍动雾化下游流场二次雾化特性研究

气泡雾化喷嘴下游流场主要是二次雾化流场，主要指喷嘴出口处一次雾化后形成的初始液滴在湍动的下游射流场中继续运动，出现进一步破碎、碰撞以及合并等过程。

影响雾滴粒径大小的主要因素是表面张力、液体粘度以及气动力，喷嘴出口处的气动力远远大于初始液滴的表面张力，因此雾滴在射出喷嘴后，会经过一系列复杂的破碎、碰撞以及合并等过程，体现这一过程的就是雾化液滴粒径沿着射流场轴向的分布变化规律，因此喷嘴轴向距离对是否能够充分发挥雾化特性有着重要的影响，特别是雾化特性在喷涂领域以及燃烧领域的应用。本节将用稳态和瞬态两种仿真方法来对气泡雾化喷嘴的外部射流场进行模拟研究，并对研究结果进行试验数据验证，为后续章节研究雾滴粒径大小以及数量分布特性提供有利基础。

5.1   计算基础

（1）物理模型

本节将利用 Fluent 仿真软件对下游流场中二次雾化过程进行模拟计算，涉及的计算区域为喷嘴外部下游的区域，以轴向长度 20cm，径向直径 10cm 的圆柱形区域为计算域，对计算域进行网格划分，流场进口附近以及流场中心部分网格进行加密处理，总网格数量为26万，如图5.1和5.2所示。

6   总结与展望

6.1   总结

雾化技术随着现代工业技术的发展将会在越来越多的领域内得以应用并发挥较大的作用，同时雾化对象流体也从传统的低粘度牛顿流体开始往复杂的高粘度的非牛顿流体发展。气泡雾化喷嘴是当前研究表明较为适用于高粘度流体的一种新型的雾化喷嘴。本文主要针对典型的气泡雾化喷嘴的雾化过程进行了数值模拟研究，主要分为以下几个方面：

（1）气泡雾化喷嘴的内部流场特性研究，针对内部流场，结合以往实验观察的结果分析内部流动形态的类型，利用数值模拟方法进行模拟，结果表明内部流型的转换是一个动态的过程，较大的GLR可以使内部流场呈现环状流动的形态。

（2）喷嘴外部射流场的一次雾化过程，由于喷嘴出口处流动及其复杂，现有的实验研究手段以及模拟方法都难以准确的对这一过程进行研究。因此，结合大量的以往的经验模型对一次雾化过程进行合理的条件假设，利用程序计算不同工况参数时一次雾化结果，计算结果表明一次雾化过程受到GLR、供气压力、液体质量流量等影响较大。

（3）喷嘴外部射流场的二次雾化过程模拟，针对喷嘴外部下游流场，采用Fluent 软件对一次雾化时产生的雾滴在流场中的运动模拟，分析了不同工况参数以及其他因素对二次雾化特性的影响，结果表明GLR 是影响整个射流场雾滴特性的关键因素，喷嘴出口直径对雾滴粒径的影响较为有限；在射流场中加入基板后流场中雾滴扩散得到加强，说明气泡雾化喷嘴在雾化喷涂方面也能有良好的表现。

参考文献（略）