Fluent霧化噴嘴數(shù)值仿真研究

1、Flue nt霧化噴嘴數(shù)值仿真研究Flue nt霧化噴嘴數(shù)值仿真研究FLUENT提供五種霧化模型:? 平口噴嘴霧化(Plain-orifice atomizer)?壓力旋流霧化(Pressure-swirl atomizer)?轉(zhuǎn)杯霧化模型(flat-fan atomizer)?氣體輔助霧化(air-blast/air-assisted atomizer)?氣泡霧化(effervescent/flashing atomizer)所有的模型都是用噴嘴的物理及尺寸參數(shù)（例如噴口直徑、質(zhì)量流率）來計(jì)算初始顆粒尺寸、速 度、位置。對于實(shí)際的噴嘴模擬來說，無論是顆粒的噴射角度還是其噴出時(shí)間都是隨機(jī)分布的

2、。但對 FLUENT的非霧化噴射入口來說，液滴都是在初始時(shí)刻以一個(gè)固定的軌道噴射出去（到流場中去）。 噴霧模型中使用隨機(jī)選擇模型得到液滴的隨機(jī)分布。隨機(jī)選擇軌道表明初始液滴的噴射方向是隨機(jī) 的。所有的噴嘴模型中都要設(shè)第初始噴射角（范圍），顆粒通過隨機(jī)的方法在這個(gè)范圍內(nèi)得到一個(gè)初 始噴射方向。這種方法提高了由噴射占主導(dǎo)地位流動(dòng)的計(jì)算精度。在噴嘴附近，液滴在計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的 分布趨向于更加均勻，這樣，通過氣相作用于液滴上的曳力就加強(qiáng)了氣相一液滴之間的耦合作用。平口噴嘴霧化（Plain-orifice atomizer） 模型平口噴嘴是最常見也是最簡單的一種霧化器。但對于其內(nèi)部與外部的流動(dòng)機(jī)制卻很復(fù)雜。

3、液體在噴嘴 內(nèi)部得到加速，然后噴出，形成液滴。這個(gè)看似簡單的過程實(shí)際卻及其復(fù)雜。平口噴嘴可分為三個(gè)不 同的工作區(qū)：單相區(qū)、空穴區(qū)、以及回流區(qū)（flipped。不同工作區(qū)的轉(zhuǎn)變是個(gè)突然的過程，并且產(chǎn)生截然不同的噴霧狀態(tài)。噴嘴內(nèi)部區(qū)域決定了流體在噴嘴處的速度、初始顆粒尺寸、以及液滴分散角。每種噴霧機(jī)制如下圖示（圖 1、2、3）:嘖射那0!國1?5d/««外下新區(qū)域AL圖1單相流霧化噴嘴流動(dòng)（液體完全充滿噴頭內(nèi)部）、圖2空穴噴嘴流動(dòng)（噴頭倒角處產(chǎn)生了空穴）噴噬壁面（?卜部圖3返流型噴嘴流動(dòng)（在噴頭內(nèi)，下游氣體包裹了液體噴射區(qū)）壓力-旋流霧化噴嘴模型另一種重要的噴嘴類型就是壓力-旋

4、流霧化噴嘴。氣體透平工業(yè)的人把它稱作單相噴嘴（Sim plexatomizer）。這種噴嘴，然后流體通過一個(gè)稱作旋流片的噴頭被加速后，進(jìn)入中心旋流室。在旋流室 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的液體被擠壓到固壁，在流體中心形成空氣柱，然后，液體以不穩(wěn)定的薄膜狀態(tài)從噴口噴 出，破碎成絲狀物及液滴。在氣體透平、燃油爐、直接噴射點(diǎn)火式汽車內(nèi)燃機(jī)的液體燃料燃燒中，壓 力-旋流霧化噴嘴使用很廣泛。液體從內(nèi)部流到完全霧化的過程可分為三個(gè)步驟：液膜形成、液膜破 碎及霧滴形成。這個(gè)過程的示意圖如下：曠啟恥"qQ O QQoo霧化圖4噴嘴內(nèi)部流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閲婌F狀態(tài)的理論步驟轉(zhuǎn)杯霧化模型(The Flat-Fan Atomizer

5、 Model )轉(zhuǎn)杯霧化噴嘴與壓力-旋流霧化噴嘴很類似，只是它形成了液膜層，而不是旋流。液體從寬而薄 的噴口出來后形成平面液膜，繼而破碎成液滴。一般認(rèn)為，它的霧化機(jī)理與壓力-旋流霧化噴嘴類 似。一些學(xué)者認(rèn)為轉(zhuǎn)杯霧化噴嘴（由沖擊射流霧化而來）的霧化機(jī)理與平面液膜的霧化類似。在這種 情況下，轉(zhuǎn)杯霧化模型可以應(yīng)用。只有在三維的情況下才可以使用這個(gè)模型。圖5是一個(gè)轉(zhuǎn)杯的三維示意圖。此模型假定扇葉由一個(gè)虛點(diǎn)延長而成。用戶必須設(shè)定虛點(diǎn)的位置，虛點(diǎn)就是扇葉的側(cè)邊的延 長線的交點(diǎn)。用戶還必須設(shè)定扇葉的弧邊所對應(yīng)的中心點(diǎn)。為了確定噴射的方向，F(xiàn)LUENT將由虛點(diǎn)和中心點(diǎn)的位置來確定一個(gè)向量。用戶還必須設(shè)定扇葉弧

6、的半頂角、噴口寬度（垂直方向）以及液體 的質(zhì)量流率。垂直方向圖5平板扇葉噴嘴頂視圖與側(cè)視圖空氣輔助霧化模型為了加速液膜的破碎，噴嘴經(jīng)常會(huì)添加上輔助空氣。液體通過噴座的作用形成液膜，空氣則直接沖擊液膜以加速液膜的破碎。這種霧化被稱為空氣輔助霧化或氣泡（air-blast ）迸裂霧化（依賴于空氣量及其速度）。通過輔助空氣的作用，可以得到更小的霧滴。這種提高霧化質(zhì)量的作用機(jī)制并不清楚。一般的看法是，輔助空氣加劇了液膜的不穩(wěn)定性。同時(shí)，空氣有助于液滴的分散，防止液滴間的碰撞。FLUENT中的空氣霧化模型由壓力-旋流霧化模型所衍生。有個(gè)不同點(diǎn)是，在空氣輔助霧化模型 用戶需要直接設(shè)定液膜厚度。因?yàn)榭諝忪F化

7、噴嘴的液膜形成機(jī)制很多，所以必須要有此設(shè)定。這 在空氣輔助霧化噴嘴模型里就沒有壓力-旋流霧化模型里所具有的液膜形成方程。用戶還必須設(shè)空氣霧化噴嘴同壓力-旋流霧化噴嘴一樣被廣泛應(yīng)用，尤其是用在要求霧化粒徑很小的場合。里， 樣， 定液膜與空氣間的最大速度差。盡管這個(gè)量可以計(jì)算出來，但設(shè)定一個(gè)值之后用戶就可以不必計(jì)算噴 嘴的內(nèi)部流動(dòng)了。這個(gè)特點(diǎn)對大區(qū)域（噴嘴相對很?。┑牧鲃?dòng)模擬很方便。另一個(gè)不同在于空氣輔助霧化模型假定短波是液膜破碎的主要原因。作出這種假定的原因在于， 人們發(fā)現(xiàn)空氣輔助霧化噴嘴中液膜厚度較大。因此，液膜破碎成線狀液膜的半徑與液膜中快速增長波的波長成線性比例關(guān)系。其他方面的設(shè)定與壓力-

8、霧化噴嘴模型的一樣。用戶必須設(shè)定質(zhì)量流率和噴 射角度。液膜離開噴口之后，它的初始軌道沿著設(shè)定的噴射角。如果初始液膜的軌道指向中心線，那 么，噴射角度為負(fù)值。用戶還需要設(shè)定噴口處液膜的內(nèi)外半徑?？諝廨o助霧化模型不包含內(nèi)部氣體的 流動(dòng)。在FLUENT中，用戶必須把噴嘴內(nèi)的空氣流動(dòng)設(shè)定為邊界條件?？諝饬鲃?dòng)可看作一般的連續(xù) 相的流動(dòng)，不需要做特別的處理。氣泡霧化模型氣泡霧化噴嘴中，液體中混合了過熱液體（相對下游工況）或者類似的介質(zhì)。當(dāng)揮發(fā)性液體從噴口噴 出時(shí)，迅速發(fā)生相變。相變使流體迅速以很大的分散角破碎成小液滴。此模型也適用于熱流體射流。 由于對氣泡霧化的機(jī)理不甚清楚，模型必須依賴于實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果。R

9、eitz 189的攝影圖片對此提供了一些基本的認(rèn)識。圖片顯示，在氣泡霧化時(shí)，中心是密相液體核，周圍則是小液滴群LIQUIDAIRLIQUIIID4Ze d4 ： Y-J圖7氣泡霧化模型Flue nt霧化噴嘴數(shù)值仿真研究1)2)噴嘴霧化過程個(gè)人見解霧化過程由噴嘴內(nèi)部流動(dòng)、初級霧化（油束破碎等）和次級霧化組成。但是目前來說 實(shí)現(xiàn)噴嘴的全過程模擬。Flue nt 無法Flue nt中幾個(gè)霧化器模型一般實(shí)現(xiàn)的是次級霧化（液滴碰撞、蒸發(fā)等）模擬，而且不需要構(gòu)建噴嘴的幾何模型。優(yōu)點(diǎn)：只需要模霧化場，霧化器模型能夠根據(jù)你設(shè)置的噴嘴的尺寸參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)來計(jì)算出計(jì)算出霧滴的霧化情況，然后根據(jù)你給出的霧化噴嘴的位置和噴射點(diǎn)的位置，將霧滴噴出去。對霧化 噴嘴進(jìn)行簡化，確定尺寸和運(yùn)行參數(shù)、噴射點(diǎn)位置，然后就能計(jì)算。缺點(diǎn)：霧化機(jī)理本身現(xiàn)在就不是很明確，因此Flue nt里面很多霧化模型的計(jì)算都是帶有經(jīng)驗(yàn)性的，許多參數(shù)的設(shè)置也需要在計(jì)算過程中不斷修正。3)如果實(shí)際上是想用一個(gè)統(tǒng)一模型直接求解噴嘴內(nèi)部的（單相）流動(dòng)和外部的多相流動(dòng)，這需要極大的計(jì)算開銷，目前一般沒有條件這樣做?？梢粤硗饨⒁粋€(gè)VOF等歐拉-歐拉模型，主要模擬內(nèi)部流動(dòng)、初級霧化過程（要求網(wǎng)格小、步長小），需要構(gòu)建噴嘴的幾何