陸洪杰，甘樹坤，呂雪飛

(吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022)

噴嘴是農業(yè)用噴霧、植被冷卻及除塵機械的重要終端組成要素之一，噴霧設備的噴霧方法及性能直接影響液態(tài)大小、速度及流量分布.由于噴霧性能及噴霧條件的限制，噴霧工程中很容易出現資源浪費和環(huán)境污染等問題[1-6].噴霧的節(jié)能環(huán)保、原子化、低成本，是國內外學者目前深入研究的熱點.

運用超音速進行霧化的是超細水霧技術發(fā)展的重要研究方向，拉瓦爾霧化噴嘴的高速、高能量這兩大特點使其普遍受到國內外學者的關注.Gerdroodbary等[7]對氫氣混合超音速噴嘴的內部構造以及混合霧化機理進行了深入的研究，得出導致混合效果好壞的主要原因是斜激波；Nagao等[8]對拉瓦爾噴嘴擴張段的剪切層非平衡壓縮進行了探究，說明噴嘴的卷吸作用主要是由剪切層非平衡壓縮產生的；Hemidi等[9]對超音速空氣噴射器進行了數值仿真，表明在所有參數都保持一致的情況下，k-ε模型的精確率是最高的，并通過試驗進行驗證，試驗結果與仿真結果相匹配；祖洪彪等[10-14]對拉瓦爾超音速氣體霧化噴嘴的氣體振動特性方面進行了深入研究.目前，國內外對拉瓦爾噴霧噴嘴的研究主要還集中在粉末冶金及燃料的噴霧上，對超微細水噴霧的研究幾乎沒有.因此，為進一步改善噴霧性能，從而改善拉瓦爾噴嘴內部的幾何學結構，提高其性能.通過實驗比較，分析改善前后噴嘴的噴霧性能，并研究在不同的工作參數下對拉瓦爾噴嘴霧化影響.

1 相關參數計算和結構參數配比

首先進行流體馬赫數計算，根據馬赫數對拉瓦爾管其余主要結構參數噴嘴進口直徑d1、出口噴嘴直徑d2、喉管直徑d3、收縮段長度l，以及擴張段長度l2進行計算.采用d2/d1、d3/d2、l1/d2，3個無量綱量來對拉瓦爾噴嘴結構進行優(yōu)化設計.另外傳統(tǒng)型噴嘴的總長度為35～40 mm，定義噴嘴總長度為37 mm.物理模型如圖1所示.

圖1 拉瓦爾噴嘴物理模型

1.1 相關參數計算

1.1.1 馬赫數的確定

馬赫數體現氣體的流動速度與當地音速之比，是突出流場壓縮性大小的無量綱參數，也是高速空氣動力學中的一個重要參數，能夠反映出流場壓縮性大小的常量.

在拉瓦爾噴嘴中，流體的流動屬于可壓縮流動，在拉瓦爾管中為將問題簡化，理論上通常按一維等熵流計算.

高速一維等熵流，在流線上任一點的總溫和總壓均相等，由公式[6]可得：

(1)

(2)

(3)

T0：拉瓦爾噴嘴進口處工作介質的溫度，K(設為300)；P0：噴嘴進口處工作介質的壓力.

在高速一維等熵的流動情況下，沿流線某點處的流速恰好與此時的聲速相等，此點稱為臨界點，由公式[6]可得：

(4)

(5)

(6)

如果在一定的情況下將速度變?yōu)榱?，得到的參數為滯止參數[6].

(7)

(8)

(9)

拉瓦爾噴嘴的馬赫數和壓力比關系為[6]：

(10)

Ma：馬赫數；PC：出口氣體壓強.

根據熱力學公式設計的拉瓦爾馬赫數為1.928.

1.1.2 噴管擴張段尺寸計算

拉瓦爾擴張尺寸可用以下公式計算得到[11]：

(11)

A*：臨界狀態(tài)下的截面積.

得到擴張段直徑d1=10 mm，由于擴張段使達到聲速的氣流進一步達到超聲速，擴張角經驗取值在5°～8°，擴張角過小，氣流擴張路程較長，能量損失加大，擴張角過大，影響速度.

擴張段長度計算[11]：

(12)

根據公式可以得到擴張段長度為9～13 mm.

1.1.3 噴管收縮段尺寸計算

已知拉瓦爾噴嘴總長度為37 mm，由于計算得出擴張段的長度大小為9～13 mm，所以收縮段的長度為24～28 mm.收縮段會使氣體在亞音速狀態(tài)下加速到聲速，為使氣流穩(wěn)定加速一般錐角取值在30°～60°.根據公式[12]：

(13)

質量流量公式[12]：

(14)

A0=G/ρ/V，

(15)

公式(13)、(14)、(15)聯(lián)立得出收縮段直徑的取值范圍為d3=14～20 mm.

1.1.4 噴管喉管尺寸計算

依據拉瓦爾噴嘴高速一維等熵流動特性，則氣流在喉管處的速度一定超過一倍音速，設定噴嘴出口處面積為Sout，噴嘴喉管截面積為S，則有[12]：

(16)

γ：氣體絕熱指數.

1.2 結構參數配比

為了獲取各結構參數的最佳條件，本研究結合噴嘴的具體特性設計了研究方案.首先固定出口直徑d1=10 mm，采用3種喉管直徑d2=3 mm、5 mm、7 mm，4種進口直徑d3=14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，5種收縮管長度l=24mm、25 mm、26 mm、27 mm、28 mm，根據文獻[15]，選取20種典型工況進行交叉數值分析.各工況結構參數配比詳見表1.

表1 拉瓦爾噴嘴結構參數

2 流場仿真結果分析

射流初期階段，流場在收縮段逐漸加速，在達到喉管部分時速度接近于音速，經過喉管處之后，速度就由音速達到超音速，擴張段速度逐漸加大.當噴射速度相對較大時，噴嘴的射流效果會更好.通過流場仿真的壓力云圖和速度矢量圖可以顯示速度和壓力的變化情況.

2.1 喉管直徑對噴嘴射流速度的影響

保證l、d3/d1不變，改變喉管直徑d2，把工況為(1)、(2)、(3)、(6)、(11)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)的仿真結果進行對比，選取出相對有代表性的3種工況進行比較.較好的速度有利于有效動能的輸出，同時可以產生很好的射流效果.由圖2所示仿真結果，可以得出在d2/d3=0.19時可以產生良好的射流效果.

2.2 入口直徑對噴嘴射流速度的影響

保證l/d2不變，改變d3/d1，把工況情況為(1)、(2)、(3)、(6)、(11)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)的仿真結果進行對比.選取出相對有代表性的4種工況進行比較，由圖3所示仿真結果，可以得出結論d3/d1=1.61.8之間可以產生良好的射流效果.

2.3 收縮段長度對噴嘴射流速度的影響

保證d2/d3、d3/d1不變，改變l/d2，把工況情況為(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)的仿真結果進行對比.選取出相對有代表性的3種工況進行比較，由圖4可以看出噴管的射流速度隨著收縮段長度的變化而變化，在速度相對較大且穩(wěn)定時，其輸出的射流動能最大.可以得出結論在l/d2=5.2時可以產生良好的射流效果.

圖2 喉管直徑變化仿真的壓力與速度矢量云圖

圖3 入口直徑變化仿真的壓力與速度矢量云圖

圖4 收縮段長度變化仿真的壓力與速度矢量云圖

3 結 論

應用Fluent仿真軟件，以拉瓦爾噴嘴腔體全尺寸結果為研究對象，對不同尺寸下的拉瓦爾噴嘴進行的流場模擬仿真，獲得以下結論:要獲得良好的射流效果，必須使噴管結構的4大參數(l、d1、d2、d3)相互配合，設定合理的參數比，本研究通過仿真得出在d2/d3=0.19、d3/d1=1.61.8、l/d2=5.2時，噴嘴可以產生相對的良好的射流效果.