空气辅助雾化喷嘴的数值模拟研究

空气辅助雾化喷嘴的数值模拟研究
刘海军;宋来武;吴华
【摘要】基于欧拉-拉格朗日两相流模型,数值模拟研究了一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程.分析了喷嘴内空气流动特性和雾化场中的雾化特性,结果表明喷嘴内空气速度、压力和温度等参数随着流动截面变化时会发生剧烈变化,并在喷嘴出口处达到超音速状态,雾化场中雾滴具有较大的轴向速度和较小的径向速度,雾滴直径分布均匀,雾化效果良好.
【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2015(033)003
【总页数】5页(P207-210,215)
【关键词】空气辅助;雾化;欧拉-拉格朗日;数值模拟;硝酸铀酰
【作者】刘海军;宋来武;吴华
【作者单位】中国核电工程有限公司,北京100840;中国核电工程有限公司,北京100840;中国核电工程有限公司,北京100840
【正文语种】中文
【中图分类】TH133;TP183
利用核能发电是性价比高、碳排量低的新型发电方式，是化石能源和水力资源之后的世界第三种主要能源。

核燃料在发电过程中会慢慢裂变，以致无法使用，出于节能经济性和减少污染排放的要求，对核燃料进行后处理和循环利用尤为重要。

在已
经确定的水法后处理中，铀以硝酸铀酰水溶液的形式被回收，浓缩的硝酸铀酰溶液在流化床中脱硝生成三氧化铀，进一步还原生成二氧化铀，然后转变成四氟化铀，最后还原成金属铀循环使用［1］。

硝酸铀酰水溶液的雾化能够使液料形成尺寸均匀，颗粒直径小的液雾，以增加硝酸铀酰水溶液与流化气和流化底料之间的接触面积，提高反应速度。

由于硝酸铀酰水溶液粘度较大，因此适合雾化高粘度液体的空气辅助雾化喷嘴是其常用的雾化设备之一。

空气雾化喷嘴具有很多突出特点，在较低的油压下可以获得良好的雾化效果，尤其是对雾化高粘度的液体有很好的雾化质量，流量调节范围广，且能在较大的燃油流量范围内得到良好的雾化质量，因此它在石油、化工、电力等众多领域应用广泛［2－4］。

国内外许多学者对其进行了大量研究［5－9］。

Holtzclaw［10］和Wang［11］等人应用PIV 技术分析了工作参数对雾化颗粒速度、液膜厚度和雾
化锥角等雾化特性的影响。

沈赤兵等［12］采用马尔文激光散射测粒系统进行了
大量的实验研究，得到了索特平均直径，雾化颗粒尺寸分布等雾化特性。

采用数值模拟的方法进行喷雾雾化过程的研究还很少［13－15］，因此，本文模拟研究了
一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程。

通过两步法，首先进行喷管内单相模拟，然后根据单相模拟结果再进行雾化场中的气液两相模拟，得到了雾化场中的雾化颗粒速度分布和尺寸分布等雾化特性。

1 喷雾模型
1．1 空气辅助雾化喷嘴结构图
喷管内气相通道的三维结构如图1 所示，其中喷嘴出口处液料出口直径为2．0 mm，气体出口环内径为3．0 mm，外径为3．3 mm。

液料通过中心流动通道，从入口进入喷管内，从右侧出口喷出;空气从入口处进入到环形气相通道中，气流
在喷管内经过压缩，气流速度增大，并在喷嘴出口处达到最大，对出口的液料进行冲击和摩擦，进行雾化。

图1 雾化喷嘴的结构图
1．2 雾化模型
针对喷管内流动，建立数学模型。

质量守恒方程
式中ρ——流体的密度;
v——流体的速度矢量。

动量守恒方程
式中
p——静压;
ρg、F——质量力;
τ——应力张量;
μ——分子粘度;
I——单位张量。

能量守恒方程
式中
keff——有效热传导;
Jj——组分j 的扩散通量。

右边括号内的三项分别表示由于导热，组分扩散和粘性耗散引起的能量变化。

湍流模型采用k －ε 湍流模型。

近壁面处理方式采用标准壁面方程，湍流动能k 和湍流耗散率ε，可从以下输运方程中得到
式中 Gk——由平均速度梯度产生的湍流动能Gb——由浮升力产生的湍流动能μt——湍流粘度
式中 u——脉动速度;
C1ε、C2ε、C3ε、Cμ——常数，C1ε =1． 44，C2ε =1．92，Cμ =0．99。

对于喷管外雾化场中的两相流动，采用欧拉－拉格朗日耦合算法进行模拟，对气场采用欧拉算法，对液相采用拉格朗日粒子跟踪方法，考虑各个区域之间的质量、动量和能量交换进行相间耦合迭代计算。

喷嘴模型选择空气辅助雾化喷嘴，曳力模型采用动态曳力模型。

图2 为连续相与离散相耦合计算示意图。

图2 连续相与离散相耦合计算示意图
采用KHRT(Kelvin －Helmholt －Rayleigh －Taylor)破碎模型，认为破碎过程是由KH 破碎模型和RT 破碎模型共同作用的结果。

通过列维奇理论［9］可计算得到液穴长度
式中 CL——列维奇常数;
d0——相对喷嘴直径;
ρl、ρg——液相密度和气相密度。

式中
De——液斑直径;
Ca——收缩系数。

RT 模型中，认为RT 不稳定波是破碎的主要因素，增长最快的射流不稳定波频率为
式中 gt——液滴运动方向的加速度，对应的波数为
RT 不稳定波的形成时间一般比破碎时间稍长，破碎时间为
破碎形成的子液滴半径为
2 初始和边界条件
根据实际情况，边界条件的设置如下:入口边界条件为质量流量入口边界条件，出口边界条件为压力出口边界条件，气体工质为可压缩理想气体。

表1 给出了模拟计算所需的边界参数和物性参数。

表1 模拟计算所需参数值参数数值气液体积比300气体质量流量/kg·s －1 1．075 ×10 －3入口气体温度/K 473出口压力/MPa 0．1液体质量流量/kg·s －1 6．758 ×10 －3液料密度/kg·m －3 2433比热/J·kg－1·K －1 1422．56粘度/kg·m －1·s －1 0．05表面张力/N·m －1 0．075
图3 给出了喷管内的网格划分，采用了结构化与非结构化网格相结合的方法，在结构复杂处采用非结构化网格，在结构简单处采用结构化网格，并在喷嘴出口附近对网格进行了加密处理，优化了网格质量。

图3 喷管内的网格
图4 给出了喷管外雾化场的网格，雾化场进行了二维轴对称简化计算，选择了一个直径为1 m，长1 m 的圆柱空间进行雾化过程的计算。

图4 喷管外雾化场的网格
3 结果与讨论
3．1 喷嘴内气相流动特性
图5 中给出了喷嘴内气相速度场的分布图。

从图中可以看出，气相在喷管内流动过程中，气体速度在喷管前部分基本不发生变化，只在喷嘴出口附近，发生显著变
化。

由于气体在喷管内的流动过程中，喷嘴截面在前面部分不发生明显变化，因此，气体速度基本不变，在喷嘴出口附近，气相通道截面积逐渐缩小，并在近喷嘴出口处逐渐增大，形成缩放型喷管，气体速度也发生显著变化，逐渐增大，甚至从亚音速增大至超音速。

图5 喷嘴内气相速度分布图
图6 和图7 分别给出了喷嘴内气相压力场和温度场的分布图。

从图中可以看出，
气相在喷管内流动过程中，气体压力和温度在喷管前面大部分范围内不发生变化，只在喷嘴出口附近，压力发生显著变化。

3．2 喷嘴外雾化特性
图8 给出了雾化场中雾化颗粒的粒径分布图，从图中可以看出，雾化颗粒直径分
布均匀，颗粒直径几乎在30 μm 左右，雾化形成了良好的张角，不但保证了雾化的贯穿作用，还保证了雾化扩散效果，雾化效果良好。

图8 雾化场中颗粒直径分布图
图6 喷嘴内气相压力场分布图
图7 喷嘴内气相温度场分布图
图9 雾化场中颗粒速度分布图
图10 雾滴液滴直径分布柱状图
图9 中的(a)和(b)分别给出了雾化场颗粒的轴向速度分布图和颗粒的径向速度分布图。

雾化液滴具有较大的轴向速度，较小的径向速度。

主要是受空气在喷嘴出口处速度分布的影响，气相从喷嘴出口处喷出来之后，对中心液料形成了良好的冲击作用，使液料破碎成雾滴，并使雾滴具有一定的轴向速度和径向速度，形成良好的扩散效果。

图10 和图11 分别给出了小喷嘴外雾化场中雾滴尺寸分布柱状图和曲线图。

其中
柱状图给出了雾化场中雾滴直径在0 ～100 μm 之间的分布百分比，曲线图给出了雾滴直径的概率分布曲线。

从图中可以看出，超过50%的雾滴直径集中在
10 ～15 μm 之间，雾滴直径主要集中在50 μm 以内，最大雾滴直径在200 μm 左右。

4 结论
本文采用欧拉－拉格朗日两相流模型对一种带有螺纹通道的空气辅助雾化喷嘴的雾化过程进行了分析，得到了喷嘴内气相的速度、压力和温度分布，最终得到了雾化场中的雾化特性，主要结论如下:
(1)喷嘴内流动过程中，气相在喷嘴前段参数变化不大，但是在靠近出口段，由于喷嘴截面的剧烈变化，气相参数发生明显变化，速度逐渐增大，压力逐渐减小，温度逐渐降低。

(2)喷嘴外雾化过程中，雾化液滴轴向速度较大，径向速度较小，雾滴粒径在30 μm 左右，直径分布均匀，雾化和扩散效果良好。

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