低压旋流喷嘴上游流场数值模拟分析_董星涛

China； （ 1． Key Laboratory of E＆M （ Zhejiang University of Technology） ，Ministry of Education ＆ Zhejiang Province，Hangzhou 310014 ， 2． Zhejiang Mechanical Industry information Institute， Hangzhou 310009 ， China）
1 —芯套； 2 —芯子； 3 —弹簧； 4 —单向球阀； 5 —旋流室； 6 —喷口芯片
u— 速度； i， j— 张量符号。 其中： ρ = F ρ1 + （ 1 － F ） ρ2 ； u j = Fu i1 + （ 1 － F ） u i2 。 2． 3 湍流模型的选择 Yakhot［8］等人将 RNG 理论用于研究湍流问题而 提出了 RNG κε 模型， 由于它将高应变率过流面和大 曲率等因素的影响考虑在内， 使模型在旋流和大曲率 情况下的精度得以提高。这与文中所研究的低压旋流 雾化喷嘴内流场的情况相符。 因此采用 RNG κε模 型来研究旋流喷嘴的内流场的特性 。其控制方程如下 （ ρ u i κ ） k （ ρκ） + = （ α k μ eff ） + G k － ρε， x i x j x j t
图 1 低压旋流喷嘴结构示意图 Figure 1 Structure diagram of low pressure swirl nozzle
图 2 旋流喷嘴雾化实验 Figure 2 Spray experiment of swirl nozzle
（ ρ u i ε ） ε ε （ ρε） + = （α μ ） + （ C1ε G k － k x i x j ε eff x j t C2ε ρε） ， 1 u i u j G k = μ t s2 ， s = 槡 2 s ij s ij ， s ij = （ + ）， μ eff = 2 x j x i μ + μt
年代提出， 是一种改进的用于界面的线性插值方法 ， 它 是使用一个标量场函数体积分数 α q 来表征第 q 相流 体在计算网格中的分布， 其大小为第 q 相流体在网格 中所占百分比。此方法可适用于任何 2 种或多种不可 压、 不混合且相间的滑移可忽略的流体的计算。 文中 液体从螺旋槽道进入旋流室， 形成一个紧贴壁面的旋 转液膜， 液膜的卷吸作用会使喷口处的空气倒吸到旋 流室内， 形成一个空心气锥， 水为第 1 相， 空气可作为 第 2 相， 因而可采用 VOF 模型。
第 31 卷 第 5 期 2013 年 10 月
轻工机械 Light Industry Machinery
Vol． 31 No． 5 Oct． 2013
［ 研究·设计］
DOI： 10． 3969 / j． issn． 10052895． 2013． 05． 001
低压旋流喷嘴上游流场数值模拟分析
1 1 1 1 董星涛 ，付方凯 ，刘旭峰 ，黄官强 ，何 1 2 龙 ，卢德林
Numerical Simulation Analysis on Upstream Flow Field of LowPressure Swirl Nozzle
DONG Xingtao1 ， FU Fauanqiang1 ， HE Long1 ， LU Delin2
2
2． 1
数学模型的建立
模型选取 VOF 模型由 Hirt 和 Nichols
［5 ］
等人于 20 世纪 80
G κ — 湍流生成 ε— 为耗散率， 式中： κ— 湍动能， s ij — 平均应变率张量。 S— 平均应变率张量的模， 项， μ eff — 有效黏度， μ t — 为湍动黏度。通常系数 α k = α ε = 1 ． 393 ， C1ε = 1 ． 42 ， C2ε = 1 ． 68 。 2． 4 边界条件设定 入口边界设为压力入口， 家用低压的压力范畴在 0． 3 ～ 0． 5 MPa， 故总压为 0． 3 MPa， 固定壁面上采用无 v = 0 。 为了保证计算的精度， 速度滑移即 u = 0 ， 同时 又避免壁面附近过细的网格划分， 采用标准壁面函数 来考虑壁面的影响， 壁面的表面粗糙常数为 0． 5 。
网格划分是求解偏微分方程的关键步骤之一 ， 网 格 划 分 得 好， 可以大大简化偏微分方程的求解过 程
［2 ］15
。考虑到研究的喷嘴内流场的几何模型结构比
较复杂， 采用分块的方式进行非结构化网格划分 ； 对喷 孔 及 旋 流 室 处 的 网 格 局 部 加 密， 划分的网格数为 57 689 个， 图 3 为划分后的网格。
1 ） 连续性方程
2 ） NS 方程 （ ρ u i u j ） （ ρ u i ） ρ μ u i u j + =－ + （ + ） ρg i + F j t x i x i x i x i x i 3 ） 体积分数方程 F F + ui = 0 x i t 式中 ρ— 密度； F — 体积分数； μ— 流体黏性系数；
· 2·
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2013 年第 5 期
旋芯和芯套组成， 喷口芯片便于实验更换。 喷口芯片、 旋芯的螺旋槽道头数为 4 头， 收敛角为 120° 。 液体通 过单向阀后进入芯套内， 经分流通道进入螺旋槽后产 生高速旋流进入旋流室， 经喷孔喷出形成旋流雾化效 果。图 2 是 工 作 压 力 为 0． 3 MPa， 喷 口 直 径 为 0． 6 mm， 1 ， VW6000 长径比为 时 用 高速动态摄影仪拍摄 到的雾化效果。通过改变喷嘴出口的直径和长径比等 参数， 采用 FLUENT6． 3 对喷嘴内流场的速度场进行模 拟， 研究喷嘴出口长径比对流场特性的影响 。
图 4 轴向速度云图 Figure 4 Cloud of axial velocity 0． 6 ， 0． 7 mm 时喷口 图 5 分别是喷口直径为 0． 5 ， 处的轴向速度。从图中分析可知， 当长径比为 0． 5 和 1 时喷口直径的变化对喷口的轴向速度影响不大； 当 d为 长径比为 1． 5 时， 喷嘴直径对速度的影响较大， 0. 5 mm 和 0． 7 mm 时中心速度都有显著的下降， 说明 d 为 0． 6 mm 长径比为 1． 5 时的喷口直径有一最优值， 时中心的轴向速度最大。
Abstract： The threedimensional flow physical model of internal flow field of lowpressure swirl nozzle was established with optimized swirl core parameters． By means of adjusting diameter and lengthdiameter ratio of the nozzle ，the upstream flow field of nozzle was simulated by using Fluent software and compared with the experimental data to investigate the effects of the diameter and lengthdiameter ratio to the atomization property and atomizing angle． The research results indicate that axial velocity decreases with the increase of the diameter in the same lengthdiameter ratio ， and the atomizing angle increases with the decrease of the lengthdiameter ratio and increases with the increase of the diameter． These are consistent with the test results． Key words： swirl nozzle ； numerical simulation； lengthdiameter ratio； axial velocity ； atomizing angle 雾化技术的应用几乎覆盖各行各业， 在各类燃油 ， ， ， 发动机的燃料雾化 农药喷洒 表面喷涂 催化造粒等 领域都有着重要的运用。 在家用领域， 高压灌装喷雾 器雾化效果好， 但存在易爆炸等安全隐患而不便于携
2． 2
控制方程 由于研究对象是水和空气， 气液两相之间不存在
［6 ］
化学反应和物理相变
， 不需考虑相与相之间的热交
换。液体为连续不可压缩介质， 在旋流室中没有液体 脱壁现象， 即进口流量系数为 1 ， 不考虑质量力的影 响。控制方程
［7 ］
如下： ρ （ ρ u i ） + = 0 x i t
［1 ］ 带和长途运输， 使得人们越来越青睐低压喷雾器 。 家用低压喷雾器无法获得很高的压力， 只能通过其他
规律， 得出了最优化的一组旋芯参数。 李超 和林垂 ［4 ］ 真 指出， 喷嘴出口的直径和长度共同影响喷嘴出口 速度。由于李燕在研究旋流芯子时并未研究喷口直径 和长径比对雾化效果的影响， 而喷嘴出口的直径与长 径比对喷雾有着重要的影响， 文中将在优化了的旋流 芯子的基础上进行改进， 采用 FLUENT 软件对喷嘴上 游流场进行模拟， 研究喷嘴直径与长径比对流场特性 的影响。
图 3 网格模型 Figure 3 Grid model 3． 2 方程的离散化与求解 本文数值模拟研究中， 流项、 扩散项采用一阶迎风
格式离散， 源项采用中心差分进行线性化处理 ， 体积分 ［9 ］ 3 QUICK ， 数方程采用 阶 格式 湍动方程和耗散方程 均采 用 一 阶 迎 风 格 式， 压 力 相 则 采 用 Body Force ［10 ］ Weighted 方式， 流场计算采用 SIMPLE 算法 。