基于FLUENT的高压精细雾化喷嘴特性研究_张嘉丽.pdf

基金项目：陕西省西安市未央区科技局资助项目（编号：202112）收稿日期：20220516基于FLUENT的高压精细雾化喷嘴特性研究*张嘉丽，李浩，梁文宏（西安工业大学 机电工程学院，西安 710021）摘要：醋酸纤维丝束是目前卷烟过滤嘴的重要原材料，生产工艺中进行高温雾化处理能显著提升丝束物理特性，其工作温度一般集中在6590 之间，对高压精细雾化喷嘴的内流场特性进行研究，重点研究了不同温度对雾化压力的影响，利用FLUENT软件对喷嘴的流场以及不同温度下喷嘴内流场进行了数值模拟。根据流场的状态，仿真为瞬态模拟，其仿真结果表明，高压精细雾化喷嘴在旋流室内形成绕中心旋转的涡旋运动，且不断向前运动，直至到喷嘴出口高速喷出；不同温度下其压力与黏温特性相关，在60 以下，基本接近水的黏性系数变化趋势，但在60 时出现了拐点，出口压力受黏温特性影响更加明显，出口压力呈指数形式下降。关键词：精细雾化；不同温度介质；速度场；压力场中图分类号：TP391.9文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02006305Research on the Characteristics of High Pressure Fine Atomizing Nozzle Basedon FLUENTZhang Jiali，Li Hao，Liang Wenhong（School of Mechatronic Engineering,Xian Technological University,Xian 710021,China）Abstract:Acetate fiber tow is an important raw material for cigarette filters at present.High temperature atomization treatment in theproduction process can significantly improve the physical properties of the tow,its working temperature is generally between 65 and 90.The characteristics of the flow field were studied,focusing on the effect of different temperatures on the atomization pressure.The FLUENTsoftware was used to numerically simulate the flow field of the nozzle and the flow field in the nozzle at different temperatures.According to thestate of the flow field,the simulation was a transient simulation.The simulation results show that the high-pressure fine atomizing nozzle formsa vortex motion around the center in the swirl chamber,and moves forward continuously until it sprays out at a high speed at the nozzle outlet.At different temperatures,the pressure is related to the viscosity-temperature characteristics.Below 60,it is basically close to the changetrend of the viscosity coefficient of water,but an inflection point appears at 60.The outlet pressure is more obviously affected by theviscosity-temperature characteristics,and the outletpressure decreases exponentially.Key words:fine atomization;different temperature medium;velocity field;pressure field2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.015张嘉丽，李浩，梁文宏.基于FLUENT的高压精细雾化喷嘴特性研究 J.机电工程技术，2023，52（02）：63-67.0引言烟用丝束雾化是加工工艺中的重要环节，热湿的共同作用使得丝束纤维强力下降、模量减小、伸长增加1。加湿的核心是雾化技术，其中一个极其重要的部分就是喷嘴雾化，通过雾化使得液体形成颗粒微小、尺寸均匀的液雾以增加液体与物料之间的接触面积，促进蒸发，使得加湿更加均匀。从20世纪开始人们就对雾化喷嘴内部流动状态进行模拟研究。Dumouchel C等2运用涡流函数来计算雾化喷嘴内流场。Baharanchi A A3利用VOF模型和湍流模型对雾化场进行研究分析，并对雾化场采用不同湍流模型进行研究，得出 RNG k-模型在可以保证仿真计算的时候，计算成本也大大下降。浙江大学的尹俊连4采用VOF和RNG k-模型研究雾化喷嘴内部的气流两相流流动状态。VOF 模型的方法来研究高压精细旋流雾化喷嘴，与实验结果也有较高的吻合5。Madsen J等6对压力旋流式雾化喷嘴采用LES和VOF模型结合的方法进行研究，研究发现实验结果与仿真结果基本吻合。在喷嘴实际应用中，标准的k-模型其假定流体流动各向均匀湍流，对于流体的旋转运动没有一个很好的计算7。因此对于高压精细雾化喷嘴模拟来说，此方法不合适，RNG k-对比标准的k-模型，它在计算过程中考虑了湍流旋流，计算精度有很大的提高，它能更好地模拟喷嘴内部强旋转流动等复杂流动8，而且比标准湍流模型具有更高的精度。综上，对于雾化喷嘴的研究主要是对常温状态下的液体进行数值模拟，对于高温雾化研究较少。本文根据丝束热湿处理时选用的高压精细雾化喷嘴工作原理，构 63建喷嘴三维模型，同时为精确反映喷嘴流场特性，采用大工显测量旋芯重要尺寸，文中采用VOF两相流模型结合RNG k-的方法对高压精细雾化喷嘴内流场进行数值模拟，重点研究流场速度分布以及液体不同温度对出口压力的影响，为后期工程应用提供重要参考。1喷嘴物理模型的建立1.1喷嘴几何模型图 1 所示为高压精细雾化喷嘴剖视图，它主要由喷孔、螺纹帽、带狭缝的旋芯、弹簧、过滤棉及喷嘴壳体等组成。高压精细雾化喷嘴结构简单、雾化效果好且成本较低被广泛应用在农业、化工、工业生产及动力设备等行业。根据高压精细雾化喷嘴整体剖视图，在喷嘴旋芯后端区域主要为圆环形流动，流体区域面积变化不大，液体经过旋芯狭缝到旋流室这一段时，流域面积发生突变，导致流场状况也发生了改变。因此，在下述工作中主要对旋芯到旋流室区域的特性进行研究。高压精细雾化喷嘴雾化原理如图2所示，液体由切向进入旋流室内，在旋转室内进行旋转，压力能转变成液滴动能，然后由小孔高速喷出，出口处会形成液滴群形状，之后与空气接触，形成表面波，表面波的形成使得液膜伸长变薄，最后破碎成细小雾滴9。根据高压精细雾化喷嘴雾化原理，高压精细雾化喷嘴的狭缝尺寸、喷孔大小和操作压力对雾化产生的效果以及生产能力起着重要的决定作用。采用游标卡尺测量高压精细雾化喷嘴尺寸，由于旋芯狭缝和喷孔采用游标卡尺测量误差较大，为了模型更加可靠、准确，采用大工具显微镜测量狭缝和喷嘴喷孔尺寸，得到如表1所示的喷嘴尺寸。1.2喷嘴物理模型及网格划分根据高压精细雾化喷嘴工作原理，旋芯狭缝使得流体区域面积突变对喷嘴雾化的效果影响较大10，同时为了节约计算时间，缩小网格数量简化仿真，其忽略对仿真无明显影响，根据以上得到的高压精细雾化喷嘴尺寸，在Solidworks三维软件中建立内部流道模型，如图3所示。模型的网格划分是求解微分方程的重要问题之一，网格划分是否合理是数值模拟重要一步，合理的网格划分可以极大简化方程求解。本文采用ICEM CFD软件对旋流雾化喷嘴进行网格划分，为了计算的高效性，采用四面体非结构网格划分方法对喷嘴进行网格划分，网格划分单元数为205 181，网格节点数为30 586，网格划分如图 4所示。由于高压精细雾化喷嘴的结构较为复杂，对于几何尺寸突变的地方，即狭缝和旋流室连接位置以及出口处进行局部网格细化的方式进行加密，如图4（b）所示，保证了数值模拟计算的可靠性，经验证网格质量符合要求。2喷嘴内流场数学模型的建立2.1基本控制方程本模型对所研究的高压精细雾化喷嘴的实际物理现象作了如下假设：由于喷嘴所使用的工作介质是温度在2095 的热水，喷嘴内部流场中有温度热现象的产生，考虑液体是否有热量传递，热传递有3种基本方式：导热、对流和辐射，在实际长期工作中，金属管道和喷嘴处的温度一致，不考虑换热和对流；保温箱附近装有绝热层，不考虑热辐射；液体在喷嘴内部的流动为不可压缩，喷嘴内存在空气和水，气液之间无理化反应；喷嘴入口和出口的势能差很小，可忽略不计；忽略质量力的影响。基于上述模型的假设，流体在旋芯狭缝处及旋流室内的流场数值模拟计算时除了求解连续性方程和动量方程外，由于涉及不同液体温度，还需要求解能量方程11。图1旋流雾化喷嘴剖视图图2高压精细雾化喷嘴雾化原理图3高压精细雾化喷嘴几何模型图4高压精细雾化喷嘴三维网格划分喷嘴孔径d00.1旋芯狭缝宽度d0.13旋转室直径D1.5mm表1高压精细雾化喷嘴重要尺寸2023年02月机 电 工 程 技 术第52卷第02期 64连续性方程：pt+()pv?=0（1）式中：P为液体的密度；v 为速度矢量。动量守恒方程：()pvuv,xt+()pvuv,xU=()uv,x-px+Fx（2）()pvuv,yt+()pvuv,yU=()uv,y-py+Fy（3）()pvuv,zt+()pvuv,zU=()uv,z-pz+Fz（4）式中：()uv,x、()uv,y、()uv,z分别为x轴方向、y轴方向、z轴方向热传递所产生的能量转移；px、py、pz分别为x轴方向、y轴方向、z轴方向所引起的组分能量转移；Fx、Fy、Fz分别为x轴方向、y轴方向、z轴方向所引起的黏性扩散。能量方程：t()pvE+U()pvE+p=keffT-jhjJj+()eff U（5）式中：keffT为热传导导致的能量变化；hjJj为组分导致的能量变化；eff U为黏性耗散导致的能量变化。2.2边界条件与控制参数设置合适的边界条件对于流场解的计算准确性至关重要，根据高压精细雾化喷嘴的内部实际流动状况，喷嘴出口位置有空气芯的存在。因此，高压精细雾化喷嘴流体域边界条件入口设置为压力入口（为工作压力 2.6 MPa），入口第二项设为1，表明入口处全部是水，温度为50，出口边界条件设置为压力出口，压力值为0 Pa（与外界大气压相等），并设置出口第二项回流为0，表明发生回流时，回流全部为气体，其余为壁面，采用无滑移绝热壁面。在求解过程中采用SIMPLE算法，压力项采用PRESTO!，动量项采用二阶迎风格式，体积分数采用compressive离散格式，湍动能项、湍粘系数和雷诺应力项采用一阶迎风格式，瞬态计算过程中时间步长设置为10-5s，每步迭代计算100次，计算进行到第二项的流动状态基本不再发生改变，认为此时流体发展完全，停止计算。3仿真结果与分析在对高压精细雾化喷嘴进行分析时，选择不同截面进