超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究.pdf

18Tgy,resonancecavityinCoal Minesnatomization2023,54(8):18-25移动扫码阅读DONG Changzhu,PENG Shuting,CHEN Fuzhen.Research on the influence of ultrasonic atomization nozzle54(8):18-25.董长竹，彭枢廷福振超振控安全，2 0 2 3SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷D0I:10.13347/ki.mkaq.2023.08.005超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究董长竹1，彭枢廷？，陈福振2（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南2 50 0 13;2.西北工业大学动力与能源学院，陕西西安7 10 0 7 2）摘要：针对流体动力式超声波雾化喷嘴空间分布不均、噪声大的问题，采用数值模拟结合实验的方法，对喷嘴共振腔对雾化特征的影响进行了研究，计算获得共振腔的振荡特性，拍摄到了雾化近场特征，并测量了液滴的平均粒径及喷嘴噪声声压级。研究结果表明：对于目标喷嘴，吞吐模式与非吞吐模式下共振腔的压力振荡频率分别由喷嘴压力比和几何结构决定；吞吐模式下，共振腔深度增大导致压力振荡频率降低，容易导致喷嘴产生过大噪声，而过小的深度会导致腔口膨胀气流流速过低；共振腔内径对振荡频率影响较小，但内径过大会导致液滴空间分布不均及压力振幅下降；喷口到腔口的间隔距离影响声压级大小，喷嘴索特平均直径与声压级大小成反比。关键词：超声雾化；共振腔；振荡特性；液滴分布；喷嘴噪声中图分类号：TD714文献标志码：A文章编号：10 0 3-496 X(2023)08-0018-08Research on the influence of ultrasonic atomization nozzle resonance cavity onatomization characteristicsDONG Changzhu,PENG Shuting,CHEN Fuzhen?(1.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.Jinan 250013,China;2.School of Power and EnNorthwestern Polytechnical University,Xian 710072,China)Abstract:Aiming at the problems of uneven spatial distribution and excessive noise of the hydrodynamic ultrasonic atomizationnozzle,the influence of the resonant cavity of the ultrasonic atomization nozzle on the atomization characteristics was studied bynumerical simulation combined with physical experiments,the oscillation characteristics of the resonance cavity were calculated,the near-field characteristics of atomization were photographed,as well as the average particle size of the droplets and the noisesound pressure level of the nozzle were measured.The results show that for the target nozzle,the pressure oscillation frequency ofthe resonator in huff and puff mode and non huff and puff mode is determined by the nozzle pressure ratio and geometry,respectively.In the huff and puff mode,the increase in the depth of the resonant cavity will lead to the decrease of the pressureoscillation frequency,which will easily lead to excessive noise of the nozzle,while the too small depth will lead to the low flowrate of the expansion airflow at the cavity opening.The inner diameter of the resonant cavity has little effect on the oscillationfrequency,but it will lead the uneven droplet distribution and the lower pressure amplitude.The distance between the nozzle andthe cavity affects the sound pressure level,and the average nozzle Sauter diameter is inversely proportional to the sound pressurelevel.Key words:ultrasonic atomization;resonant cavity;oscillation characteristics;droplet distribution;nozzles noise收稿日期：2 0 2 2-11-0 4责任编辑：兰莹基金项目：国家自然科学基金资助项目（1190 2 2 6 7）作者简介：董长竹（198 2 一），男，山东莱西人，高级工程师，本科，从事电力工程建设、项目管理方面的相关技术工作。E-mail:19SafetyinCoalMines2023年8 月Aug.2023Vol.54No.8第8 期第54卷煤矿发全在矿井作业中，由于燃煤接卸、转运、筛分、破碎、输送等过程，导致了大量烟气和飞灰的产生。在这些作业中，主要以产生PMio为主，即可吸入颗粒物，对环境造成巨大破坏的同时还给工作人员的身体健康带来伤害!。流体动力式超声波雾化喷嘴作为喷雾除尘喷嘴的一种，利用频率超过2 0 kHz的声场作用于液体工质从而实现雾化，具有粒径小、捕尘效果好等优点，起到了很好的除尘作用。但到目前为止，应用流体动力式超声波雾化喷嘴进行除尘作业时还存在一些问题，如噪声大，液滴空间分布不均等。对于流体动力式超声波雾化喷嘴，产生超声频率的发声装置为共振腔。目前市面上常见喷嘴的共振腔激励结构大多基于Hartamnn哨2 演变而来,在一定条件的来流压缩气体作用下，共振腔产生激励作用。在小工况下，共振腔内气体几乎不发生振荡，称为射流不稳定模式。随着来流气体压力增大到一定数值时，共振腔内气体会出现强烈的振荡，形成振荡激励模式（包括吞吐模式和非吞吐模式），共振腔内气体振荡的频率、幅值与来流条件以及共振腔结构密切相关。由于雾化能量很大部分来源于共振腔，因此研究共振腔的工作机理对指导该类型雾化装置的设计与应用有重要意义。多年来，研究者们对共振腔在来流气流下的振荡特性及其产生机理进行了大量研究，总结了共振腔的振荡特性以及声学特性2-7 。另外，共振腔作为喷嘴的关键结构，振荡特性直接影响雾化特征。研究者们对超声波雾化的雾化机理、雾化性能以及改型优化方案做了大量研究8-17 。结果表明液膜、液滴的雾化特征与共振腔所产生的声压级与声频关系密切，引人共振腔的振荡激励，能较好改善喷嘴的工作性能。虽然前人已经关于超声波雾化喷嘴进行了大量工作，但大多集中在单独研究共振腔的振荡机理或喷嘴的宏观性能，对于共振腔结构结合雾化细节的研究较为缺乏。评判喷嘴好坏的标准不仅仅是宏观上的液滴平均直径、雾化角等参数，关注喷嘴噪声以及液滴的空间分布同样重要。因此，首先利用数值模拟方法，对研究对象的共振腔振荡特征进行计算，得到了共振腔在不同喷嘴压力比（入口总压与远场总压的比值）、不同共振腔内径和深度下的振荡特性，并从振荡频率角度分析了目标喷嘴噪声过大的问题。再通过物理实验，利用高速相机拍摄喷嘴雾化近场，捕捉雾化过程的动态图像，分析了共振腔对液滴分布以及液体破碎过程的影响；通过声级计与粒度仪测量噪声声压级（SPL)及雾化场索特平均直径（SMD）。结合数值模拟结果，为雾化喷嘴共振腔的结构改进提供了优化思路。1数值方法与实验方案1.1数值方法基于可压缩二维轴对称柱坐标系下的Navier-Stokes方程建立控制方程：EaFEFH=0(1)山atarx;r十式中:Q=(p,pui,puj,e)T;p为流体密度,kg/m;uivuj为2 个坐标方向的速度，m/s;e为能量,J;t为时间；E、F为2 个坐标方向的无黏通量，（kgm)/s；E，、F,为2 个坐标方向的黏性通量，（kgm)/s;H为源项。采用Spalart-Allmaras湍流模型描述流。对涡黏性相关量建立输运方程：(puui)(pu+pi）t)-Y,+S,(2)式中：G,为由流运动黏度产生的项;，、Cb2为常量；u为分子运动黏度，m?/s；Y，为由于近壁面涡黏性耗散所产生的项；S为源项。定义涡黏性系数：M=puf.(3)尼函数，定义为：f1为黏性阻尼函数，定义为：fi=(4)X+C式中:x=;C.a为常数。瑞流运动黏度产生项G，定义为：G,=Gbipi(S+（1X)(5)1+xfu1式中:Gbl、k 为常数;d为到壁面的距离,m/s;S为基于涡尺度的变形张量的标量度量。S=V20,2(6)式中：2，为旋转张量。Qu;u)2;=0.5(7)由于近壁面涡黏性耗散所产生的项Y，定义为：2Y,=Cup+G6(8)dG+C6W320Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8煤码发全Vol.54第54卷第8 期G=sk22+V1+xfu6(9)sk2d-+i1+xfu12+V1+xf1流模型中的常数取值如下：0,=2/3;Gbl=0.1355；Gb2=0.622;k=0.42;Cwl=3.21;Cw2=0.3;Cw3=2.0;Cu=7采用LeastSquaresCell-Based方法计算梯度，对于空间与时间上的离散均采用二阶迎风格式。使用CFL准则约束计算时间步长1.2实验装置与研究对象实验台示意图如图1。由供能装置提供的压缩空气与一定压力的液体输入目标喷嘴，使用高速摄像机捕捉雾化细节，通过粒度仪、声级计分别测量粒度分布和喷嘴噪声声压级。高速摄像机数据采集台粒度仪水泵压力变送器电磁阀控制开闭声级计储气罐测试喷嘴空压机减压阀、压力表光源压力调节阀图1实验台示意图Fig.1Experimental platform针对雾滴群体，以索特平均直径为判断标准，常用D32、SM D 表示。其优点是能真实反映出雾滴的蒸发条件，最能反映干燥、燃烧属性。计算公式如下：Zn;dZf.d3DSMD=(10)Zf.d2dPi式中：n;为dp粒径的滴数;fi为dp粒径的个数频率。采用常见的2 种型号喷嘴作为研究对象，二者内部流场分布近似,共振腔几何结构存在区别，A喷嘴与B喷嘴的几何参数见表1,A喷嘴和B喷嘴的实物图及其激励结构示意图如图2。在间隔距离4.5mm、供气压力6 0 0 0 0 0 Pa、供水流量0.4L/min时，通过高速相机拍摄的B喷嘴表1A喷嘴与B喷嘴的几何参数Table1Geometry parameters of A nozzle and B nozzle喷口直径共振腔内径共振腔深度间隔距离型号D,/mmD./mmS/mmL/mmA21.523B233可调（a）A 喷嘴实物图（b）B喷嘴实物图LSL（可调）S（c）A 喷嘴激励结构示意图（d）B喷嘴激励结构示意图图2 A喷嘴和B喷嘴的实物图及其激励结构示意图Fig.2Physical diagrams of the A,B nozzles andschematic diagrams of its excitation structure雾化近场液滴分布如图3。可以看到，雾化锥面内部空间液滴浓度较低，使用过程中还存在噪声过大的现象。图3B喷嘴雾化近场液滴分布Fig.3Droplet distribution in the near field ofatomizationwithBnozzle2数值计算与实验结果2.1网格无关性验证以主要研究对象A喷嘴为例，通过计算共振腔在喷嘴压力比为4时的腔底处（监测点1)静压变化进行网格无关性验证。几何模型及计算网格如图4。其中，喷嘴激励结21SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月煤矿发全No.8Vol.54第8 期第54卷构为图4(a)中加粗部分，后文将对激励结构的几何参数和来流条件进行调整和对比计算。在本次的算例中，来流压缩空气经直径为2 mm的喷口喷出后，在共振腔内发生振荡。其中，喷口到腔口的间隔距离为3mm,共振腔的内径为1.5mm,共振腔的深度为2 mm。在腔底设置监测点1（6,0）,在腔口设置监测点2(4,0.7），对计算数值进行监测。人口边界条件设置为压力人口，出口边界条件设置为压力出口，压力设置为10 132 5Pa。另外，对计算域做轴对称处理，共振腔设置为无滑移壁面。对于本文所有的算例，对喷口以及共振腔近壁面网格进行加密，壁面距离值均控制在31左右。X压力出口固壁（无滑移）压缩空气进口共振腔压力入口20.5D,(轴）监测点2监测点1（a）几何模型及边界条件(b）计算网格图4几何模型及计算网格Fig.4Geometry model and computational grid分别为采用10 50 16、137 8 8 2、2 0 6 8 52 个网格数量进行网格无关性验证，对关键的振荡激励部分进行局部加密，关键部位平均网格尺度分别设置为75、35、2 0 m。3种网格数量下腔底压力变化曲线如图5（监测点1）。5105 016137 882206 8524eds01/媒3210010203040时间/s图53种网格数量下腔底压力变化曲线Fig.5Pressure change curves of the cavity bottom underthree kinds of grid quantity由图5可以看到：当网格数量为137 8 8 2 个和206852个时，计算得到的腔底静压曲线图基本一致。为节约计算资源，计算采用的网格数量均在140000个左右。2.2供气压力的影响以A喷嘴为研究对象，计算不同供气压力下共振腔腔底（监测点1)压力变化，吞吐模式与非吞吐模式下的腔底静压变化曲线如图6。可以看到，共振腔的工作模式与喷嘴压力比密切相关。在喷嘴压力比R为2、3、4.5、5时，共振腔内存在压力波动，但振荡范围小，此时称为共振腔振荡激励模式下的非吞吐模式。而在喷嘴压力比为3.5、4时，腔内发生了剧烈的压力振荡，最高压力远远超过来流压力，最低压力低于大气压，此时称为共振腔振荡激励模式下的的吞吐模式。喷嘴压力比3.5与5的速度场对比如图7。观察发现，喷嘴压力比直接决定着欠膨胀射流单元结构的形成与分布，压力过大或过小都会导致腔口落在单元结构的膨胀区内，无法在腔口形成压缩波以触发吞吐模式的进行。由图6(a)可知：对于共振腔的非吞吐模式来说，随着喷嘴压力比的增大，共振腔底压力振荡频率保持不变，振荡幅度随着压力比的增大而增大。总体上看，压力振荡幅度呈现先变小后变大的趋势，腔22SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤砺发全第8 期第54卷R=2R=3 R=4.5 R=5654Bd.01/王螺32一0050100150200时间/s（a）非吞吐模式下的腔底静压变化曲线一R=3.5一R=44d:01/王媒3210050100150200时间/us（b）吞吐模式下腔底静压变化曲线图6吞吐模式与非吞吐模式下的腔底静压变化曲线Fig.6Static pressure change of cavity bottom under huffand puff mode and non huff and puff mode速度/(ms-)R=3.55.861025.271024.691024.101023.521022.931022.341021.761021.171025.861010R=5图7喷嘴压力比3.5与5的速度场对比Fig.7Velocity field comparison betweennozzle pressure ratio of 5and 3.5底平均压力随来流压力增大而增大。由图6(b)可知：对于共振腔发生的吞吐模式来说，不同工况下振荡次数存在差异。由于在共振腔中气流膨胀回推，与来流气体相互作用，而气流回推位置很大程度上取决于喷嘴压力比。不同喷嘴压力比下吞吐模式激波回推位置如图8。来流压力比越大，回推位置越靠近管口，因此共振腔回流的有效长度增大，压力振荡频率减小。静压/Pa4.15105R-3.53.681053.201052.731052.261051.781051.311058.381043.64104-1.09104R-4-5.82104图8不同喷嘴压力比下吞吐模式激波回推位置Fig.8Shock wave pushback position in huff and puffmode under different nozzle pressure proportions射流不稳定模式与振荡激励模式下雾化近场特征如图9。通过高速相机对A喷嘴雾化近场进行拍摄发现，不同供气压力下，气流对液膜的作用存在差异。在小工况下（图9（a），液膜呈锥形，由于液膜与气膜之间的速度差，液膜上产生不稳定波，剥离出液丝、液滴，此时为射流不稳定模式；随着供气压力的增大，腔内压力出现周期性波动，即振荡激励模式（图9(b）。由于腔内气体的压力以及速度的波动，液膜形态跟随发生周期性变化，表现为出口液膜发生的隆起与回缩的过程，液膜、液滴随之迅速破碎2.3共振腔内径与共振腔深度的影响取喷嘴压力比为4，控制共振腔深度S为3mm,分别设置共振腔内径D。为 1 mm与3 mm(即B喷嘴），不同共振腔内径下吞吐模式腔底压力变化曲线如图10。对于B喷嘴，计算得到其振动频率为19.04kHz，为人耳可听频率范围内，因此表现出巨大的噪声。同时,B喷嘴的压力振幅较小，对其流场进行分析，B喷嘴压缩过程速度矢量图如图11。可以看到，由于共振腔内径较大，随着腔内压力的增大，当腔内压力超过来流压力时，腔内气体发生了溢出的现象；一部分气体与来流相互作用压缩，而一部分气体则沿腔壁向外溢出，造成压力振幅较小，推测所能提供的雾化能量也较小；另外，共振腔内排出的气体更多向径向方向发展，所引发的卷吸作用较弱，导致了B喷嘴雾化近场液滴空间分布不均的问题。当共振腔内径为1mm时，腔底压力振荡振幅变高，而振荡频率改变不大。对于本文研究对象，管径并非影响共振腔压力振荡频率的主要因素。23Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第8 期第54卷f-O usf-40s-120us160（a）射流不稳定模式-Ousf-120us-240 us（b）振荡激励模式图9射流不稳定模式与振荡激励模式下雾化近场特征Fig.9Near field characteristics of atomization in unsteady jet mode and oscillating excitation modeD=1 mm一 D=3 mm543ed.0/媒21050100150200时间/us图10不同共振腔内径下吞吐模式腔底压力变化曲线Fig.10Cavity bottom pressure variation curves of huffand puff mode under different nozzle inner diameters速度/(m s-l)6.161024.621023.081021.541020图11B喷嘴压缩过程速度矢量图Fig.11Velocity vector diagram of B nozzlecompressionprocess为了研究共振腔的深度对共振腔振荡特性的影响，以A喷嘴结构为基础进行计算，保持共振腔内径为1.5mm,计算共振腔深度为1、2、4mm的腔底压力振荡情况，不同共振腔深度下吞吐模式压力变化曲线如图12。5S-1 mmS=2 mm-S-4 mm4ed;0I/王螺3210050100150200时间/us图12不同共振腔深度下吞吐模式压力变化曲线Fig.12Pressure variation curves of huff and puff modeunder different resonant cavity depths相较于内径的减小，共振腔深度的改变对频率的影响显著，同时结果显示在4mm时，压力振荡幅度下降。而声压级与压力振幅密切相关，从声压的角度上来说，表现为声压级随着深度的增加而略微下降,与RUAN 的研究结果一致。另一方面,频率的下降引发喷嘴过大噪声的同时，也会影响雾化性能。当深度为4mm时，振荡频率下降到了16.6kHz，无法满足设计要求。共振腔深度为1mm时，频率高且振幅大，但根据SUGONDOA等的研究以及声音的衰减理论，过高的振荡频率对雾化性能不一定会起到促进作24Safety in Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤药发全第8 期第54卷用。共振腔深度为1mm和2 mm时腔口的轴向速度变化如图13。可以看到，共振腔深度为2 mm时，腔口排出气体的速度远大于深度为1mm时的速度，单位时间内传递给液膜的能量更多，有利于液膜破碎。在实际应用中，应结合实验进行更进一步的分析，以对比设计最合适的共振腔深度。3S=2 mmS=1 mm2S0-23050100150200250时间/us图13共振腔深度为1 mm和2 mm时腔口的轴向速度变化Fig.13 Axial velocity change at the cavity openingwhen the cavity depth is 1 mm and 2 mm2.4间隔距离对噪声及雾化场SMD的影响由于B喷嘴喷口到共振腔口间隔距离为可调设计，可调范围为4.5 8.5mm。因此，通过改变B喷嘴间隔距离，分析了这一结构变量对喷嘴噪声声压级SPL以及雾化场索特平均直径SMD的影响。设供水压力40 0 0 0 0 Pa、供气压力6 0 0 0 0 0 Pa，利用声级计测量喷口出口中心轴向位置-2 0 cm处的声压，以表征共振腔声压级大小的变化规律。共设计有7 个工况，喷口到共振腔腔口之间距离L分别为4.5、5、5.5、6、6.5、7.5、8.5mm。粒度仪测量位置为喷嘴出口中心轴向位置+2 0 cm处。不同间隔距离下喷嘴噪声声压级和SMD大小如图14。从实验结果可以看出，随着喷口到共振腔距离的增大，声压级呈先增后减的趋势，并在L=6.5mm处达到峰值。这是由于不同间隔距离下，共振腔口所处在射流单元结构的位置不同而导致的在共振腔内压力振幅不同，表现出声压不同。声压级的先增后减对应腔口在欠膨胀射流单元结构的膨胀区-压缩区-膨胀区之间的转变。同时，结果显示SMD随间隔距离的增大而表现出先减后增的趋势，在L=6.5mm处减至最小。根据超声波雾化喷嘴共振腔的发声原理，由于共振腔的27一-SMD-A-SPL112261102510824um/aWs106AP/dS231042210221201001998456789L/mm图14不同间隔距离下喷嘴噪声声压级和SMD大小Fig.14Sound pressure level of noise and SMD atdifferent stand-off distances此种周期性声效应，引起周围大气压强变化并作用于液膜表面，而共振腔引起的压力振幅越大（表现为声压级越大），液体则得到更多的雾化能量，实现更好的雾化效果，3结论1)共振腔工作模式以及液膜的破碎机理与供气压力有关。吞吐模式下，共振腔压力振荡频率随供气压力增大而增大，非吞吐模式下，频率与供气压力无关，且振幅较小。2）共振腔内径过大会导致雾化场液滴分布不均，压力振幅下降。3)共振腔深度越大，压力振荡频率越低，在超过一定深度后，振幅下降。4）共振腔深度过低导致腔口膨胀气流速度过低，不利于雾化。5)过低的振荡频率导致了较大的喷嘴噪音。声压级大小与喷口到腔口的间隔距离有关，声压级越大，雾化场液滴SMD越小。参考文献(References)：1AAMBASTHA S K,HARITASH A K.Emission of res-pirable dust from stone quarrying,potential health ef-fects,and its managementJ.Environmental Scienceand Pollution Research,2021,29(5):6670-6677.2李博.Hartmann共振管及超音速气体雾化喷嘴流场数值模拟D.上海：上海大学，2 0 0 8.3SOBIERAJ G B,SZUMOWSKI A 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