二流体雾化器雾化过程仿真及试验.pdf

引用本文格式张雨生，何箐，由晓明，等二流体雾化器雾化过程仿真及试验 J农业工程，2023，13（8）：107-112 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.08.018 ZHANG Yusheng，HE Qing，YOU Xiaoming，et alSimulation and experimental of atomization process in two fluid atomizerJAgriculturalEngineering，2023，13（8）：107-112二流体雾化器雾化过程仿真及试验张雨生1,2，何箐1,2，由晓明1，梁立康1，张云杰1（1.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083；2.农业装备技术全国重点实验室，北京 100083）摘要：探究了二流体雾化器液膜破碎过程与液滴形成过程，对不同螺距和喷嘴出口形状的二流体雾化器喷嘴进行仿真研究。仿真分析了二流体雾化器的液膜形成与破碎过程，通过耦合 VOF-DPM 模型，成功获得了雾化过程中的液滴粒径尺寸分布，并通过试验验证仿真结果的准确性。研究结果表明，二流体雾化器中螺距对气相的速度影响较大，高速的气相从出口流出时会形成较大湍流抬升导液管附近液相；不同的喷嘴结构会导致液相延伸的长度和一次破碎完成的时间不同，气相的速度越高二次破碎能产生的液滴颗粒粒径越小；气相速度较低的喷嘴二次破碎过程以液团形式完成二次破碎，气相速度较高的喷嘴则以液带形式完成二次破碎。关键词：喷雾干燥；雾化器；二流体；VOF-DPM 模型；液滴中图分类号：S220文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）08-0107-06DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.08.018Simulation and Experimental of Atomization Process in Two Fluid AtomizerZHANG Yusheng1,2，HE Qing1,2，YOU Xiaoming1，LIANG Likang1，ZHANG Yunjie1（1Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Groups Co.，Ltd.，Beijing 100083，China；2State Key Laboratory ofSoil-Plant-Machine System Technology，Beijing 100083，China）Abstract：Process of liquid film fragmentation and droplet formation in a two fluid atomizer was explored，and two fluid atomizernozzles with different pitches and nozzle outlet shapes were conducted simulation researchThe process of liquid film formation and frag-mentation in a two fluid atomizer was simulated and analyzedBy coupling VOF-DPM model，droplet size distribution during atomiza-tion process was successfully obtained，and accuracy of simulation results was verified through experimentsResearch results indicatedthat pitch in a two fluid atomizer had a significant impact on velocity of gas phase，and when high-speed gas phase flowed out of the out-let，it formed a large turbulence to lift liquid phase near guide pipeDifferent nozzle structures could result in different lengths of liquidphase extension and different completion times for primary crushingThe higher the gas phase velocity，the smaller the droplet size pro-duced by secondary crushingFor nozzles with lower gas phase velocity，secondary crushing was completed in form of liquid mass，while for nozzles with higher gas phase velocity，secondary crushing was completed in form of liquid beltKeywords：spray dryer，atomizer，two fluid，VOF-DPM model，droplet 0引言雾化是将大块的液体料液转换为小液滴的过程，它代表了内部和外部力量对液体表面张力的破坏，在没有这种外力破坏的情况下，液体表面张力倾向于将液体拉成具有最小表面能量的球体形式，雾化在内燃机、制药给药、喷雾干燥和灭火器等方面都有着普遍应用1。雾化器是喷雾干燥过程的核心部件，雾化器通过不同的雾化方式，将料液雾化成粒径为微米大小级别的液滴，液滴在干燥塔内直接干燥形成粉体，雾化液滴的大小和速度等状态将影响喷雾干燥形成粉体的质量2。因此探究雾化过程中雾化液滴的破碎机理和状态是提升雾化性能、制备可控粉体的前提。在多种形式的雾化器中，二流体雾化器因能量消耗低、雾化效果好及雾化可控等优点被广泛使用，研究 人 员 对 二 流 体 雾 化 器 雾 化 进 行 了 大 量 研 究。WATANAWANYOO P 等3设计制作了一种内混合式二流体雾化器，并对比了不同气液比对雾化效果的影 收稿日期：2023-02-02修回日期：2023-04-03作者简介：张雨生，硕士生，主要从事热防护涂层技术研究E-mail：何箐，通信作者，博士，博士生导师，主要从事热防护涂层技术研究E-mail：第 13 卷 第 8 期农业工程Vol.13No.82023 年 8 月AGRICULTURAL ENGINEERINGAug.2023响。MLKVIK M 等4使用 4 种类型的内混合二流体雾化器对不同黏性流体（黏度 分别为 60、147 和 308MPas）在不同气液比（2.5%、5%、10%和 20%）条件下进行低压喷雾，通过高速摄像机比较雾化器内部气液流动、喷雾稳定性、一次破碎和液滴大小来确定液滴的破碎方式，并评价二流体雾化器的工作情况。结果表明，表面张力是雾化破碎的主要方式，OIL 雾化器在低气液比能产生最小液滴，OIL 雾化器内部流型在所有工况下都是环形，对于 OIG 雾化器，随气液比的增加，从塞流变为断塞流。ZAREMBA M 等5在相同工艺环境下对不同二流体雾化器进行比较，通过多种方式观察喷雾形成，使用一种简化的分析方法评估了内部流型，得到了近喷嘴区域流体的变化情况，结果表明，特定的混合过程可以产生环形内部流，从而产生较低液滴尺寸为特征的稳定喷雾。随着计算机技术的进步，通过 CFD 对雾化器的雾化过程进行仿真模拟能更清楚地揭示雾化过程中所发生的现象，王雷等6基于大涡模拟对离心式喷嘴雾化过程进行仿真，揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节，并获得液滴粒径的空间分布特征。范海宏等7通过使用 VOF-DPM 模型对污泥雾化破碎进行仿真模拟，确定了气体速度、雾化角度和气液比为影响污泥破碎的3 个重要工艺参数。二流体雾化器雾化过程短，二流体混合接触反应剧烈；对二流体雾化器的研究现阶段集中在不同工艺参数对雾化效果的影响上，而不同结构对雾化效果的影响研究较少。本研究基于 FLUENT 仿真平台与两种结构不同的二流体雾化器，系统地开展二流体雾化器雾化过程的仿真与试验。1数值物理模型 1.1数值计算方法雾化过程中使用和涉及的两相流模型均视为不可压缩且互不相溶的流体。采用 SST k-omega 湍流模型，其中连续性方程为8-9t+(ui)xi=0（1）动量方程为(ui)t+(uiuj)xj=xi+xj(uixj+ujxi23ijukxk)+xj(uiuj)（2）式中流体密度u流体速度t时间流体黏度ij单位张量因为湍流中始终会产生能量耗散，其中=vuixjuixj（3）式中湍流中单位质量流体湍流动能的耗散率，m2/s3由于 ui是未知的，因此需要通过求解 k 方程得到所需未知量，在 k 方程中视为源项10。（k）t+（kU）=(+tk)k+P（4）在-方程中引入 =Cuk（5）式中比湍流耗散率，1/s因此将方程转换为（w）t+（U）=(+t)+vtPk2（6）气液相界面通过流体体积法 VOF 跟踪，有11ut+uu=p+g+(u+uT)+（7）式中表面张力相体积分数界面曲率气体为主相，液相为次相，流体域中的液相体积分数即为，当=1 时，表明该单元内部全部为液相。根据连续性方程得到t+u=0（8）同时=（1）g+l（9）=（1）g+l（10）式中g、g气相的密度与黏度l、l液相的密度与黏度气相与液相的密度与黏度在计算过程中均保持不变。二次破碎过程使用 KH-RT 模型，破碎模型为RT=vt2(gt(pg)3233(p+g)（11）RT=CRT（12）式中生长最快的波的频率，RT=0.5gt液滴在其轨迹方向上的加速度RT液滴破碎时间液滴转换为离散相模型（DPM）之后，离散液滴的运动满足 108 农业工程设计制造与理论研究 duddt=uaudr+g(da)d+F（13）式中a气体速度d液滴速度（ad）/r液滴曳力r液滴弛豫时间F附加加速度动量方程的压力速度耦合方案采用 SIMPLEC 方案求解。1.2计算模型雾化器模型如图 1a 所示，二流体雾化器主要由壳体、导液管和进气管 3 部分构成。将二流体雾化器模型简化，完成喷嘴复杂流体域的创建，通过 Meshing对流体域进行网格划分，两种二流体雾化器结构参数如表 1 所示。其中，二流体雾化器中间为导液管，旁边为进气管，导液管外壁为螺旋结构，用以增加高压气体的剪切作用，螺旋结构长度为 L=60 mm，为减少计算量，将导液管长度降低至 50 mm，进气管直径为9 mm，在喷嘴外侧设置一个直径 D=150 mm、高度H=150 mm 的圆柱外侧流体域。整个流体域采用四面体非结构化网格进行划分，对喷嘴和喷嘴出口流体域处进行网格加密，如图 1b 所示。初始网格数量共计 180万个，经检查平均网格纵横比为 1.8，网格质量评价标准平均为 0.85，网格质量较好，符合计算要求。由于雾化过程产生的小块液团的尺寸较小，此时的网格尺寸可能难以完全追踪，为充分捕捉液面的运动变化与破碎过程，减小误差，使用基于曲率的自适应网格，网格将根据液相变化自动细化，使用网格细化间隔为 2 个时间步长，4 级细化等级。仿真过程使用的模型边界条件基于实验室数据，其中进气管为压力入口，气体压力为 0.6 MPa，导液管入口设置为质量流量入口，设置为 0.005 kg/s。由于二流体雾化器的雾化破碎和液滴形成过程较为复杂且迅速，雾化过程中产生各种形态的液膜、液带、小液滴等，在尺寸上相差较大，单纯使用流体体积法（VOF）需将模型的网格尺寸降低到微米级才能保证细小的液滴被追踪，这种方式需要巨大的计算资源及时间，同时雾化形成的液滴颗粒信息难以被捕获和统计。因此对二次雾化过程中产生的液滴群数值模拟，使用离散相（DPM）模型，根据流体体积法（VOF）模拟的一次破碎过程中产生的液滴群，通过等效直径和非球形度的相关转换标准，将液滴转换为拉格朗日离散相颗粒，进而统计相关的粒径等颗粒信息，实现雾化过程的数值模拟，为减小液体在导液管中行进所消耗的时间，将导液管中液相质量分数含量初始化为 1，在计算过程中保证在计算时瞬态模拟每个时间步长迭代结束连续性方程的方差1e-6，以此保证仿真的收敛性和精度。2仿真结果分析 2.1雾化过程中液相流动特性分析1 号雾化器液相变化如图 2 所示，在雾化开始阶段靠近导液管壁面附近的液相向上延伸，出现倒角，液相从导液管中心位置向下进入雾化区域与气相混合，高速的气体导致中间液相表面出现扰动，在 0.02 ms 时，液相表面扰动更加剧烈，随着时间的进行液相表面出现细小的液柱，液面扰动影响到导液管内部形成部分 1.进气管2.导液管3.壳体图 1二流体雾化器物理模型Fig.1 Two fluid atomizer physical model 表 1二流体雾化器相关结构参数Tab.1 Related structural parameters of two fluid atomizers编号螺距/mm螺旋深度/mm喷嘴形状1124平面型2104锥形 图 21 号二流体雾化器XY平面上液相随时间变化Fig.2 Change of liquid phase with time in XY plane of No.1two fluid atomizer 张雨生等：二流体雾化器雾化过程仿真及试验 109 空隙，细小液柱在高速气相的作用下进一步破碎形成部分液团和小液滴颗粒。2 号二流体雾化器液相与 1 号相似，液相首先会沿导液管壁面向上延展形成倒角，如图 3 所示，倒角随着时间的延长越来越大，与 1 号二流体雾化器不同，2号雾化器在 0.3 ms 之前液面扰动较 1 号二流体雾化器平稳，液相靠近导液管壁一侧进入雾化区域，液面扰动加剧出现细小液柱和液团，随后细小液柱和液团破碎形成小液团和液滴颗粒。图 32 号二流体雾化器XY平面液相分布情况Fig.3 Liquid phase distribution in XY plane of No.2two fluid atomizer 对比两种不同结构参数的二流体雾化器可以看出，两种雾化器液相在雾化开始阶段均沿着导液管内壁上移形成了倒角。这是因为气相速度较快，首先从出口流出，由于文丘里效应，气相出口处气压较低，对周围空气形成抽吸作用，较大的空气压力将导液管壁附近的液相抬升继而形成倒角。对比两种雾化器，2 号二流体雾化器在导液管周围形成的倒角相差较大，液相在导液管中明显偏移导液管轴线，这可能与喷嘴出口形状有较大关系，因为锥形的喷嘴出口对气相的影响更大，气相经过螺旋加速后从狭窄的锥形出口一侧从出口流出，致使出口处的气相速度不均匀，因而形成了液相偏转。除此之外，1 号雾化器的雾化时间更短，雾化器在 0.04 ms 的时间内就基本完成了初次雾化，而2 号二流体雾化器在 1 ms 左右才完成初次雾化。1 号雾化器显然雾化的更加剧烈，在更短的时间内完成了雾化，并且气相速度在气相出口周围更均匀。经过对两种雾化器气相出口处的速度进行统计，结果表明，1 号二流体雾化器出口处的平均速度为 693.65 m/s，2 号二流体雾化器出口处的平均速度为 607.91 m/s，这是其雾化时间更短的主要原因。2.2雾化过程液相破碎分析以液相体积分数 50%为等值面，1 号二流体雾化器液相表面破碎随时间变化情况如图 4 所示，液相在0.01 ms 的时候液面较为完整，液面出现较小的扰动，液相不断输入并受重力作用与气相接触之后，液相扰动剧烈并影响上方平稳的液面，致使平稳的液面开始出现扰动，随着扰动越来越剧烈使液面产生小液柱，继而液柱在气动力的作用下被穿透，形成大块的液团完成初次破碎，因为液相破碎主要是通过周向波动产生的液柱和液带导致的初次破碎，因此 1 号雾化器初次破碎主要是因为由瑞丽泰勒（R-T）扰动主导的初次破碎，但同时观察到小液柱存在轴向的位置扰动与变化，这可能也与开尔文亥姆霍兹（K-H）扰动有关，这与 MANSOUR A 等12在试验中观察到的液膜不稳定性试验结果相吻合。图 41 号二流体雾化器液相破碎随时间变化Fig.4 Liquid phase breaking of No.1 two fluid atomizervaries with time 2 号雾化器液相表面破碎随时间变化情况如图 5 所示，与 1 号雾化器相似，雾化开始时液相表面较为稳定，出现较小的扰动波纹，随着液相的不断输入，当液相与气相接触之后液相沿周向舒展，形成液膜，液膜在气动力的作用下出现空隙，形成小液柱和液带结构。随着时间的延长，液相表面扰动更为剧烈，此时由于周向扰动产生明显的周向皱褶液面，如图 5 d 所示。相较于 1 号雾化器，小的螺距使气相在相同压力入口的条件下气相出口速度低。较低的气相速度无法使液相在源源不断输送条件下破碎，因此导液管轴线位置形成较长的大面积液柱。大液柱随着气相的进一步破坏，液柱的顶端逐渐变细并破碎形成液团和液块，完 110 农业工程设计制造与理论研究 成一次破碎。2.3雾化过程二次破碎分析液相经过一次破碎形成大块液团后，液团继续运动相互碰撞或在气相和形成的高速湍流的高速剪切作用下进一步发生二次破碎形成小液滴。因此在一次破碎的基础上，将最大等体积球径设置为 50 m，当流体体积法（VOF）中液团的直径50 m 时，小粒径的液滴将转换为拉格朗日颗粒即 DPM 离散相，进而统计液滴颗粒粒径等相关信息，本文中半径标准差与半径表面正交性两种评估液团球形度的标准均设置为 0.5。两种二流体雾化器中液滴粒径分布如图 6 所示，可以看出，1 号雾化器中液滴的二次破碎主要发生在液膜的周围表面，由较大的液团破碎转换为细小液滴如图 6a 中所示，2 号雾化器中二次破碎主要发生在液相之下，以液带破碎为主如图 6b 中所示。统计两种雾化器在雾化时间 0.035 ms 以内将液滴转换为拉格朗日颗粒的粒径与数目，结果如图 7 所示，其中 2 号二流体雾化器中追踪到的颗粒数目比 1 号二流体雾化器多 32 颗。由图 7 可知，1 号雾化器中粒径较小的颗粒数目明显多于 2 号雾化器，说明不同的雾化器结构对雾化效果有较明显的影响，较大的螺距将影响气相的出口速度，不同的气相出口速度又进一步导致了不同的雾化效果。图 71 号二流体雾化器雾化液滴粒径分布Fig.7 Particle size distribution of atomized droplets in No.1two fluid atomizer 2.4试验及结果分析制作两种不同结构的喷嘴，使用 500 nm1 m 粒度的氧化锆粉体原料，加入质量分数含量为 1.6%的热固性黏结剂，其中固形物含量为 40%60%，浆料研磨 3.5 h，进行喷雾干燥试验，并对粉体进行性能表征，其中粉体的粒度分布采用激光粒度分析仪（Topsizer，珠海欧美克仪器有限公司）测定，粉体的表面形貌及截面形貌特征通过扫描电镜（Phenom Pro X，美国 FEI）进行观察分析。其中两组雾化器制得的粉体粒度如图 8 所示，两种粉体粒径分布在 125 m，粉体的中值粒径均保持在 10 m 左右，1 号雾化器稍小于 2 号雾化器，最终生成的粉体粒径与仿真过程获得的液滴粒 图 52 号二流体雾化器液相破碎随时间变化Fig.5 Liquid phase breaking of No.2 two fluid atomizervaries with time 图 6两种雾化器二次破碎后液滴粒径分布情况Fig.6 Particle size distribution of droplets after secondary crushing oftwo atomizers 图 8两组雾化器制得粉体的粒度分布Fig.8 Particle size distribution of powder prepared by twogroups of atomizers 张雨生等：二流体雾化器雾化过程仿真及试验 111 径变化趋势基本一致。其中两种粉体的微观形貌如图 9 所示，从表面形貌可以看出，1 号雾化器制备的粉体多呈凹状或碗型，2 号雾化器制备的粉体大多保持完整的球形，这是由液滴速度不同导致的，这从侧面印证了 1 号二流体雾化器较大的螺距能使气相具有较快的速度，继而使雾化形成的液滴速度较快，速度较快的液滴迎风面和背风面的干燥速度不同，液滴中的固相会向干燥速度较快的迎风面移动，最终形成凹形或碗型的粉体。从粉体的截面形貌来看，粉体均较为疏松，2 号雾化器制备的粉体球形度保持较好。图 9两种二流体雾化器制备粉体表面和截面形貌Fig.9 Surface and cross section morphologies of the powder preparedby two two-fluid atomizers 3结束语对二流体雾化器雾化过程进行仿真模拟，深入研究了不同结构参数对雾化效果的不同影响，并通过两种结构的雾化器进行喷雾干燥试验对仿真结果进行了验证。（1）雾化过程中由于气相的速度较快，会在出口处形成较强湍流，压缩周围空气将液面抬升，液相会沿导液管壁形成倒角，螺距越大的雾化器气相速度越快，雾化程度越剧烈。（2）不同的喷嘴结构会影响气相在出口处的速度均匀性，平面型出口气相出口处的速度比锥形出口处的速度更均匀。除此之外，两种不同结构的二流体雾化器一次破碎主要由瑞丽泰勒不稳定性扰动导致，也与开尔文亥姆霍兹扰动部分相关。（3）通过耦合 DPM 颗粒，证明气相速度快的二流体雾化器以液团形式发生二次破碎，气相速度较低的二流体雾化器以液带形式发生二次破碎，对二次破碎产生的液滴粒度进行统计，得到液滴二次破碎获得的液滴粒径范围，与试验结果进行对比，吻合度较高。参考文献 张涛，李永辉，万攀，等航空煤油/乙醇混合燃油雾化特性数值模拟研究J可再生能源，2022，40（6）：725-731ZHANG Tao，LI Yonghui，WAN Pan，et alNumerical simulationof kerosene/ethanol blends atomization characteristicsJ RenewableEnergy Resources，2022，40（6）：725-7311 于才渊，王宝和，王喜忠喷雾干燥技术M北京：化学工业出版社，2013.2 WATANAWANYOO P，HIRAHARA H，MOCHIDA H，et alEx-perimental investigations on spray characteristics in twin-fluid atomizerJProcedia Engineering，2011，24：866-8723 MLKVIK M，STHLE P，SCHUCHMANN H，et alTwin-fluid at-omization of viscous liquids：the effect of atomizer construction onbreakup process，spray stability and droplet sizeJ InternationalJournal of Multiphase 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