【摘要】 液體霧化技術(shù)有廣泛的應(yīng)用背景，分布在不同的工業(yè)領(lǐng)域中。在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，涉及到的霧化對(duì)象已經(jīng)從傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單流體往復(fù)雜的高粘度流體發(fā)展，傳統(tǒng)的霧化噴嘴技術(shù)在應(yīng)對(duì)這些高粘復(fù)雜流體時(shí)，其效果總是不夠理想。目前研究表明，氣泡霧化噴嘴是一種新型的而且適合用于霧化高粘流體的霧化噴嘴。本文針對(duì)氣泡霧化噴嘴，用Fluent軟件對(duì)其霧化過(guò)程進(jìn)行了深入的研究。氣泡霧化噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的模擬是用多相流模型跟蹤氣液兩相界面并分析內(nèi)部流型的轉(zhuǎn)變過(guò)程。對(duì)不同粘度的流體工質(zhì)在氣液質(zhì)量流量比（GLR）為0.02~0.20之間變化時(shí)的兩相流流型變化過(guò)程進(jìn)行了模擬，得到的結(jié)果是內(nèi)部氣泡流流型隨著GLR從0.02到0.2的增大而從氣泡離散分布的氣泡流逐漸向氣泡聚合的狀態(tài)過(guò)渡并最終在噴嘴內(nèi)部形成典型的環(huán)狀流形態(tài)。將噴嘴外部霧化階段分為一次霧化過(guò)程和二次霧化過(guò)程。首先通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)部流型的分析結(jié)合已有的一些經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)一次霧化時(shí)液膜破碎過(guò)程建立計(jì)算模型，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，再對(duì)不同工況參數(shù)下不同粘度的流體工質(zhì)進(jìn)行一次霧化計(jì)算。將一次霧化計(jì)算結(jié)果作為外部射流場(chǎng)霧滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的初始參數(shù)，彌補(bǔ)了一般研究方法將噴嘴內(nèi)部過(guò)程分開(kāi)研究的不足。對(duì)噴嘴外部射流場(chǎng)中霧滴運(yùn)動(dòng)特性的發(fā)展規(guī)律，采用Fluent中的DPM離散相模型進(jìn)行模擬計(jì)算。分別對(duì)氣液質(zhì)量流量比、供氣壓力、噴嘴出口直徑、液體物理性質(zhì)等主要工況參數(shù)對(duì)射流場(chǎng)特性的影響過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，得出了射流場(chǎng)中霧滴粒徑的軸向以及不同軸向距離的徑向分布規(guī)律。對(duì)將氣泡霧化噴嘴應(yīng)用到高粘流體的霧化中提供的較為詳細(xì)的模擬研究數(shù)據(jù)，并為對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究提供計(jì)算支持。 

1   緒論

液體霧化技術(shù)的研究在各種工業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用需求。本章以傳統(tǒng)流體霧化技術(shù)的應(yīng)用范圍和現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)流體霧化技術(shù)的發(fā)展要求為出發(fā)點(diǎn)，提出了霧化技術(shù)的研究背景以及研究意義，同時(shí)論述液體工質(zhì)霧化技術(shù)機(jī)理的研究進(jìn)展和氣泡霧化噴嘴技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及霧化質(zhì)量性能指標(biāo)，最后敘述了本文的主要內(nèi)容以及相關(guān)的研究方法。

1.1   研究背景及意義

液體霧化是指將以連續(xù)形態(tài)存在的液體破碎成離散狀態(tài)存在的液滴群的過(guò)程。自然界可以觀察到許多霧化現(xiàn)象，如雨滴、浪花等，而人工霧化則通常利用噴霧裝置實(shí)現(xiàn)液體霧化。霧化射流技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。

在能源領(lǐng)域，各種燃燒設(shè)備包括內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、鍋爐等所用的液態(tài)燃料在燃燒前都需要經(jīng)過(guò)霧化處理，霧化會(huì)增加液體的表面積從而使液體與氣體的混合更加充分，達(dá)到更好的燃燒效果，提高燃料的利用率，所以霧化射流技術(shù)是能源領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在噴涂領(lǐng)域，如紡織復(fù)貼技術(shù)、熱噴涂等技術(shù)就是通過(guò)霧化黏膠或者其他液體涂料并使霧化后的液滴在氣流中運(yùn)動(dòng)最終與基板撞擊從而攤開(kāi)形成薄膜。此時(shí)，霧化液滴的粒徑對(duì)噴涂結(jié)果的致密性、均勻性、粘貼強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)有著很大影響。

還有很多其他領(lǐng)域也有涉及流體霧化技術(shù)，如霧化干燥和降塵、霧化冷卻、消防滅火、農(nóng)業(yè)灌溉、制藥以及粉末顆粒制備、噴墨打印和噴霧清洗等。在這些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域里，有適合使用傳統(tǒng)的霧化噴嘴就可以獲得良好效果的，也有隨著現(xiàn)代新技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)的特別領(lǐng)域，傳統(tǒng)的方式難以取得良好的預(yù)期效果。

1.2   液體霧化機(jī)理

液體工質(zhì)的霧化可以由很多不同的方式進(jìn)行，不過(guò)不論哪種方法，都有些基本的因素可以適用于其霧化過(guò)程：

（1）霧化射流形成表面波的發(fā)展過(guò)程以及其中氣體產(chǎn)生的擾動(dòng)作用，這個(gè)過(guò)程中涉及到了射流表面波的生成和進(jìn)一步發(fā)展變化的理論以及空氣動(dòng)力學(xué)的原理，霧化過(guò)程中導(dǎo)致霧化射流破碎成細(xì)小碎片、線以及較大直徑的液滴顆粒等，最終霧化成小粒徑液滴。

（2）霧化過(guò)程中噴嘴的結(jié)構(gòu)特征、內(nèi)部的流體流型、噴嘴內(nèi)外壓差、霧化過(guò)程中的輔助氣體的性質(zhì)與液體工質(zhì)本身的物理性質(zhì)，這些因素對(duì)霧化射流的形態(tài)、擴(kuò)散角度、貫穿距離以及霧滴粒徑和在射流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度等在射流場(chǎng)中分布情況都有關(guān)鍵的影響作用。這些影響霧化射流性能的因素之間都不是相互孤立的，它們之間總是互相影響、互相作用，共同決定著最終霧化射流形態(tài)。

液態(tài)工質(zhì)的霧化過(guò)程的內(nèi)在機(jī)理研究向來(lái)都是噴霧過(guò)程研究中的一個(gè)重要的難點(diǎn)，到目前也還有很多需要進(jìn)行完善的地方。對(duì)霧化射流過(guò)程的研究往往需要基于深厚的流體力學(xué)理論知識(shí)與扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，，才能對(duì)其中涉及到的物理模型、數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行準(zhǔn)確的構(gòu)建。對(duì)其中涉及到各種邊界的分析，參數(shù)的正確確定都要求有嚴(yán)密的推導(dǎo)過(guò)程。

對(duì)液體的霧化過(guò)程機(jī)理的研究，大多數(shù)情況下都是在霧化射流技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用之后，往往是人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用的過(guò)程遇到問(wèn)題，需要通過(guò)研究其霧化機(jī)理對(duì)應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)和完善的時(shí)候才會(huì)開(kāi)展。在 20 世紀(jì)從 30 年代才有人開(kāi)始了對(duì)流體工質(zhì)的霧化機(jī)理的進(jìn)行研究，時(shí)至今日仍然有些霧化射流方式的機(jī)理沒(méi)能完全的研究透徹。研究開(kāi)展以來(lái)，主要形成了以下幾種主要的霧化機(jī)理學(xué)說(shuō)。

2   氣泡霧化噴嘴原理

氣泡霧化噴嘴是最早在 20 世紀(jì) 80 年代由 Lefebvre 等人提出的一種新型的氣體輔助式液體工質(zhì)霧化噴嘴技術(shù)。這種噴嘴的霧化機(jī)理是把輔助氣體以略高于液體工質(zhì)的壓力通過(guò)注氣孔注入噴嘴內(nèi)部的流體中，并形成穩(wěn)定的氣泡兩相流，在兩相流從噴嘴出口射出時(shí)，由于兩相流中氣泡內(nèi)部氣壓比噴嘴外部環(huán)境壓力要高，此時(shí)氣泡會(huì)迅速膨脹、爆裂并時(shí)連續(xù)的流體霧化成離散的霧滴狀態(tài)。

2.1   氣泡霧化噴嘴的研究現(xiàn)狀

自 Lefebvre 等人提出了氣泡霧化噴嘴技術(shù)，隨著三十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究工作者對(duì)其機(jī)理和特性的不斷深入研究，其在許多的領(lǐng)域中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)也在不斷展現(xiàn)。圖 2.2所示圖表來(lái)自S.D.Sovani 等人在2000年發(fā)表的文獻(xiàn)，其顯示了氣泡霧化噴嘴自從被提出以來(lái)到1998年為止每年針對(duì)氣泡霧化的研究文獻(xiàn)數(shù)量。進(jìn)入21世紀(jì)后，氣泡霧化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在更多領(lǐng)域中得到體現(xiàn)。

 針對(duì)氣泡霧化技術(shù)的研究一般都是關(guān)于噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性或外部流場(chǎng)粒徑分布特性的。最早對(duì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的是Roesler，研究采用對(duì)噴嘴出口階段的氣泡兩相流進(jìn)行拍照的方法，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)了噴嘴內(nèi)部流態(tài)從氣泡流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變過(guò)程，Chin 等的研究也得到同樣的結(jié)論。Lin 等人利用激光和攝像機(jī)對(duì)不同氣液比、噴嘴出口段收斂角以及出口直徑與長(zhǎng)度比值等因素對(duì)噴嘴內(nèi)部流型和出口液膜厚度的影響。Catlin研究了彈狀流型和環(huán)狀流型對(duì)氣泡霧化過(guò)程的不同影響。

2.2   氣泡霧化噴嘴結(jié)構(gòu)特征

氣泡霧化噴嘴的基本結(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分：液體進(jìn)口、氣體進(jìn)口、氣泡兩相流混合區(qū)和噴嘴出口。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的氣泡霧化噴嘴具體幾何結(jié)構(gòu)雖然各有不同，但是它們都是基于同一種霧化機(jī)制，都是使輔助氣體注入內(nèi)部液體中形成氣泡兩相流從噴嘴出口處射出。

圖 2.3 所示的是一種較為經(jīng)典的氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。氣泡霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)一般整體長(zhǎng)度在100mm左右，直徑在 50mm左右，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同會(huì)進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整。氣泡兩相流形成的混合區(qū)直徑在5mm至 25mm之間，噴嘴出口直徑在0.1mm至2.5mm之間。

根據(jù)噴嘴內(nèi)部氣體注入液體時(shí)的相對(duì)位置不同，可以把氣泡霧化噴嘴分為兩種類型：外氣內(nèi)液型噴嘴和內(nèi)氣外液型噴嘴，如圖 2.4 中（a）與（b）所示。其中外氣內(nèi)液型是指液體工質(zhì)在噴嘴內(nèi)部的多孔管內(nèi)部流動(dòng)，而輔助氣體則以高于內(nèi)部流體的壓力從多孔管外部注入，在多孔管內(nèi)部形成氣泡兩相流，再通過(guò)噴嘴出口噴射進(jìn)行霧化。內(nèi)氣外液型則是多孔管位于噴嘴內(nèi)部的流體中間，氣體從多孔管內(nèi)部以高于液體的壓力向外注入包圍多孔管的液體中混合形成氣泡兩相流，再?gòu)膰娮斐隹谏涑鰧?shí)現(xiàn)霧化過(guò)程。

3  湍動(dòng)霧化內(nèi)部流場(chǎng)特性研究........ 24

3.1   噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù) ........25

3.2   物理模型和網(wǎng)格劃分........ 26

3.3   噴嘴內(nèi)部?jī)上嗔髂Ｐ秃瓦吔鐥l件............. 27

4   湍動(dòng)霧化一次霧化過(guò)程計(jì)算 ......... 36

4.1   一次霧化概述.......... 36

4.2   理論計(jì)算................... 37

5   湍動(dòng)霧化下游流場(chǎng)二次霧化特性研究............ 45

5.1   計(jì)算基礎(chǔ).............. 45

5.2   射流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬.......... 47

5   湍動(dòng)霧化下游流場(chǎng)二次霧化特性研究

氣泡霧化噴嘴下游流場(chǎng)主要是二次霧化流場(chǎng)，主要指噴嘴出口處一次霧化后形成的初始液滴在湍動(dòng)的下游射流場(chǎng)中繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)進(jìn)一步破碎、碰撞以及合并等過(guò)程。

影響霧滴粒徑大小的主要因素是表面張力、液體粘度以及氣動(dòng)力，噴嘴出口處的氣動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始液滴的表面張力，因此霧滴在射出噴嘴后，會(huì)經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的破碎、碰撞以及合并等過(guò)程，體現(xiàn)這一過(guò)程的就是霧化液滴粒徑沿著射流場(chǎng)軸向的分布變化規(guī)律，因此噴嘴軸向距離對(duì)是否能夠充分發(fā)揮霧化特性有著重要的影響，特別是霧化特性在噴涂領(lǐng)域以及燃燒領(lǐng)域的應(yīng)用。本節(jié)將用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種仿真方法來(lái)對(duì)氣泡霧化噴嘴的外部射流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，為后續(xù)章節(jié)研究霧滴粒徑大小以及數(shù)量分布特性提供有利基礎(chǔ)。

5.1   計(jì)算基礎(chǔ)

（1）物理模型

本節(jié)將利用 Fluent 仿真軟件對(duì)下游流場(chǎng)中二次霧化過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，涉及的計(jì)算區(qū)域?yàn)閲娮焱獠肯掠蔚膮^(qū)域，以軸向長(zhǎng)度 20cm，徑向直徑 10cm 的圓柱形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流場(chǎng)進(jìn)口附近以及流場(chǎng)中心部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量為26萬(wàn)，如圖5.1和5.2所示。

6   總結(jié)與展望

6.1   總結(jié)

霧化技術(shù)隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用并發(fā)揮較大的作用，同時(shí)霧化對(duì)象流體也從傳統(tǒng)的低粘度牛頓流體開(kāi)始往復(fù)雜的高粘度的非牛頓流體發(fā)展。氣泡霧化噴嘴是當(dāng)前研究表明較為適用于高粘度流體的一種新型的霧化噴嘴。本文主要針對(duì)典型的氣泡霧化噴嘴的霧化過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，主要分為以下幾個(gè)方面：

（1）氣泡霧化噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)特性研究，針對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)，結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果分析內(nèi)部流動(dòng)形態(tài)的類型，利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬，結(jié)果表明內(nèi)部流型的轉(zhuǎn)換是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，較大的GLR可以使內(nèi)部流場(chǎng)呈現(xiàn)環(huán)狀流動(dòng)的形態(tài)。

（2）噴嘴外部射流場(chǎng)的一次霧化過(guò)程，由于噴嘴出口處流動(dòng)及其復(fù)雜，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究手段以及模擬方法都難以準(zhǔn)確的對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行研究。因此，結(jié)合大量的以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)一次霧化過(guò)程進(jìn)行合理的條件假設(shè)，利用程序計(jì)算不同工況參數(shù)時(shí)一次霧化結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明一次霧化過(guò)程受到GLR、供氣壓力、液體質(zhì)量流量等影響較大。

（3）噴嘴外部射流場(chǎng)的二次霧化過(guò)程模擬，針對(duì)噴嘴外部下游流場(chǎng)，采用Fluent 軟件對(duì)一次霧化時(shí)產(chǎn)生的霧滴在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)模擬，分析了不同工況參數(shù)以及其他因素對(duì)二次霧化特性的影響，結(jié)果表明GLR 是影響整個(gè)射流場(chǎng)霧滴特性的關(guān)鍵因素，噴嘴出口直徑對(duì)霧滴粒徑的影響較為有限；在射流場(chǎng)中加入基板后流場(chǎng)中霧滴擴(kuò)散得到加強(qiáng)，說(shuō)明氣泡霧化噴嘴在霧化噴涂方面也能有良好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)（略）