江 超 虞 斌 李佳豪 呂 林

（南京工業(yè)大學機械與動力工程學院）

顆粒物污染不僅危害人體健康， 引發(fā)職業(yè)病，還會加速機械磨損、縮短精密儀器的使用壽命， 且在一定條件下極易發(fā)生粉塵爆炸事故，存在極大的安全隱患［1］。 因此如何有效解決粉塵問題，已成為社會廣泛關注的問題。

濕式除塵是目前普遍采用的降塵方式［2］，壓力旋流霧化噴嘴作為濕式除塵器的重要部件之一，因其結構簡單、成本低、霧化性能優(yōu)異等特點被廣泛用于噴霧降塵領域。 近年來，國內外學者開展了大量相關研究。 MUHAMMAD R等通過實驗研究了不同結構的壓力旋流噴嘴對霧化質量的影響，得到旋流室最佳長徑比為3.75時，霧化質量最佳［3］；WANG J P等使用PDPA噴霧測量系統(tǒng)，得到了霧滴隨著噴霧距離改變的空間分布情況［4］；王國輝等搭建了試驗系統(tǒng)，研究結果表明，隨著噴嘴前后壓差的增加，流量增加，霧化效果變好［5］。

然而，目前針對濕式除塵器壓力旋流霧化噴嘴的研究大多通過實驗完成，成本高，耗時長，且難以直觀得到噴嘴內部流場變化。 為此筆者結合工程實際，基于Fluent軟件，研究不同工況下霧化噴嘴的霧化流場特性變化，以期為實際生產應用提供一定的理論基礎。

1 數值模擬方法

1.1 噴嘴幾何結構

壓力旋流霧化噴嘴由連接件、分流片、旋流片和霧化片4部分組成，噴嘴主要零部件尺寸如下：

噴嘴總長度L 24 mm

連接件直徑D 10 mm

分流片直徑R 5 mm

噴嘴出口直徑d 2 mm

壓力旋流霧化噴嘴的三維結構如圖1所示。

圖1 壓力旋流霧化噴嘴的三維結構

1.2 物理模型的構建及網格無關性驗證

為了更好地表現流體的運動情況，筆者利用Spaceclaim軟件對壓力旋流霧化噴嘴進行1∶1的三維模型繪制，并在噴嘴底部加上一個直徑50 mm、高50 mm的霧化場區(qū)域，其結構如圖2所示。

圖2 流體域的三維模型

將幾何模型導入Fluent Meshing中，對整體采用Polyhedra體網格生成方法，并對噴嘴出口處進行局部加密。 一般來說，在數值模擬計算中，網格數量會直接影響計算精度與效率，網格數量越多計算周期越長，理論誤差越??；網格數量越少計算周期越短，離散誤差越大。 因此，為驗證網格數量對仿真結果的影響， 分別以0.30、0.25、0.20、0.15 mm的最小網格尺寸對流體域進行網格劃分，相應的網格數量為105 481、258 215、580 547、1 064 892，得到網格無關性驗證結果如圖3所示。分析圖3可知，隨著網格數的增加（最小網格尺寸的減?。?，霧化錐角逐漸減小，當網格數增加到58萬以后，計算結果基本穩(wěn)定不變，考慮到計算結果精度和效率，最終選取網格數量為580 547進行數值模擬計算。

圖3 網格無關性驗證

1.3 數學模型

壓力旋流霧化噴嘴的流體流動過程是典型的氣液兩相流動， 采用VOF模型對流場進行仿真模擬［6］，并根據實際情況對問題進行合理簡化，做出如下假設［7］：

a.流體為不可壓縮流體；

b.氣液兩相間不存在化學反應和物理相變；

c.不考慮相間和相內的熱交換；

d.整個流場為軸對稱定常流動。

式中 F——體積分數；

Fj——表面張力產生的動量方程源項；

gi——i方向上的重力加速度；

p——壓強；

t——時間；

u——速度；

ui、uj——i、j方向上的速度分量；

ui1、ui2——單元中第i1、i2相的速度分量；

ρ——密度；

ρ1、ρ2——單元中第1、2相的密度。

1.4 邊界條件設置

將網格模型導入Fluent中， 選擇基于壓力基求解器的求解方法，先通過穩(wěn)態(tài)計算方法獲得初始穩(wěn)定流場，然后以此作為后續(xù)計算的初始值進行瞬態(tài)計算，設置z軸正方向為重力方向，g取值為9.81 m/s2。 選取VOF模型，設置空氣為第1相，水為第2相；入口邊界條件設置為壓力入口，設置液相體積分數為1（即入口流入全為水）；壁面設置為靜止無滑移壁面， 壁面表面粗糙常數設為0.5；出口邊界條件設置為壓力出口，表壓為0（等于外界大氣壓），設置液相回流體積分數為0（即回流全為空氣），根據實際計算湍流強度與水力直徑。

2 結果分析

2.1 噴嘴內部流場特性分析

壓力噴嘴內部由于水流的高速流動，使噴嘴內部產生壓降，甚至出現負壓現象，產生空氣回流，形成空氣芯［8，9］。而空氣芯有利于液膜的撕裂，從而提高整體霧化質量，因此探究空氣芯的存在與否對噴嘴霧化效果至關重要。

圖4是工作壓力2 MPa時，不同時刻噴嘴的氣液兩相分布變化，圖中紅色代表此處流體為水且體積分數為1， 藍色代表此處流體為空氣且體積分數為1。 由于初始化時將入口水的體積分數設置為0［10］，即視噴嘴初始狀態(tài)下內部全為空氣，故在初始階段藍色占云圖的大部分。 0.002 s時液體到達噴嘴出口處，如圖5所示，由于旋流片中心區(qū)域液體速度遠小于噴嘴中的直射速度，導致旋流片中心區(qū)域的壓力小于旋流片外側區(qū)域，形成空氣芯。 隨著時間變化，液體逐漸充斥整個噴嘴，到0.008 s時，噴嘴內部流動逐漸穩(wěn)定，但空氣芯仍存在于噴嘴內部未曾消失，此時整個流場的氣液分布趨于穩(wěn)定，不再隨時間發(fā)生明顯變化。

圖4 軸向截面氣液體積分布圖

圖5 0.002 s時旋流片截面流場分布圖

可以看出， 壓力旋流霧化噴嘴存在空氣芯，且由于空氣芯的存在， 噴嘴出口處液膜厚度降低，液膜在空氣芯的作用下拉伸破碎，使噴嘴整體霧化效果提高，符合噴霧降塵的應用需求。

2.2 噴嘴出口速度場分析

噴嘴的霧化性能指標主要包括噴霧射程、霧化錐角、霧滴粒徑等，而這些霧化性能指標均與噴嘴出口速度相關。 為探究相關因素影響，筆者構建了出口直徑分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm的噴嘴模型， 并以上述邊界條件設置進行求解，結果如圖6所示。 由圖6a可知， 當工作壓力一定時，噴嘴出口處的軸向速度隨出口直徑的增加而減??；當噴嘴直徑一定時，隨工作壓力的遞增，噴嘴出口處軸向速度逐漸增大，而出口處軸向速度越大，液體慣性力越大，對應的韋伯數越大，霧滴越容易破碎，霧化效果越好，噴霧射程越遠。 不同出口直徑對應的軸向速度隨工作壓力變化趨勢相同，工作壓力從2 MPa增加到8 MPa時，壓力每提高1 MPa， 噴嘴出口處的軸向速度分別增加22.23%、15.48%、11.74%、9.52%、8.04%、6.92%，可見軸向速度在工作壓力為4～6 MPa時，速度增量開始趨緩。 考慮到整個流場為軸對稱定常流動，由圖6b、c可知，隨著噴嘴工作壓力和出口直徑的變化，出口處的切向速度與徑向速度變化都不明顯， 這是由于噴嘴出口處在離心力的作用下， 噴嘴壁面對噴射流體存在一定的束縛作用，從而約束了出口處切向速度與徑向速度的發(fā)展。

圖6 不同出口直徑下噴嘴出口速度與工作壓力的關系

2.3 工作壓力及出口直徑對霧化錐角的影響

文獻［11］給定的霧化錐角θ的計算式如下：

式中 v切、v徑、v軸——出口處液膜切向、 徑向、軸向速度。

根據式（6），得到不同工作壓力和出口直徑下的霧化錐角如圖7所示。 由圖7可知，當噴嘴出口直徑相同時， 霧化錐角隨壓力變化不明顯；當工作壓力一定， 噴嘴出口直徑在1～2 mm之間時，霧化錐角隨出口直徑的增大而增大，呈線性變化趨勢，且當噴嘴出口直徑為2 mm時霧化錐角達到最大值，這與文獻［12］所得實驗結果一致；當噴嘴出口直徑大于2 mm時， 霧化錐角基本保持不變， 這是因為隨著噴嘴出口直徑的進一步增大，各速度分量比重基本保持不變。 通過以上分析并結合工程實際來看， 當噴嘴出口直徑較小時，噴霧降塵過程中極易發(fā)生堵塞現象；當噴嘴出口直徑較大時，容易造成水資源的浪費，違背節(jié)能減排的基本原則。 綜上，在實際應用中宜選擇直徑為2 mm的壓力旋流霧化噴嘴。

圖7 不同工作壓力和出口直徑對霧化錐角的影響

3 結論

3.1 基于Fluent軟件VOF模型， 筆者研究了壓力旋流霧化噴嘴在工作壓力為2 MPa時， 不同時刻下內部流場的變化，發(fā)現空氣芯始終存在于噴嘴內部，因此其符合噴霧降塵的應用需求。

3.2 噴嘴出口處的軸向速度在速度場中起決定性作用，且在工作壓力為4～6 MPa時，速度增量開始趨緩，故綜合考慮生產成本和霧化性能的情況下，在實際應用中，宜選用4～6 MPa作為壓力旋流霧化噴嘴的工作壓力。

3.3 當噴嘴出口直徑相同時，霧化錐角隨壓力變化不大；當工作壓力一定，在噴嘴出口直徑為1～2 mm之間時， 霧化錐角隨出口直徑的增大而增大，且當噴嘴出口直徑為2 mm時霧化錐角達最大值；當噴嘴出口直徑大于2 mm時，霧化錐角基本不變。 因此，在實際應用中宜選擇直徑2 mm的壓力旋流霧化噴嘴。