【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，涉及到的霧化對象已經(jīng)從傳統(tǒng)的簡單流體往復(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。本文針對氣泡霧化噴嘴，用Fluent軟件對其霧化過程進(jìn)行了深入的研究。氣泡霧化噴嘴內(nèi)部流場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)變過程。對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程和二次霧化過程。首先通過對噴嘴內(nèi)部流型的分析結(jié)合已有的一些經(jīng)驗(yàn)公式對一次霧化時(shí)液膜破碎過程建立計(jì)算模型，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，再對不同工況參數(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)果作為外部射流場霧滴運(yùn)動過程的初始參數(shù)，彌補(bǔ)了一般研究方法將噴嘴內(nèi)部過程分開研究的不足。對噴嘴外部射流場中霧滴運(yùn)動特性的發(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)對射流場特性的影響過程進(jìn)行了計(jì)算，得出了射流場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)過霧化處理，霧化會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)動最終與基板撞擊從而攤開形成薄膜。此時(shí)，霧化液滴的粒徑對噴涂結(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，不過不論哪種方法，都有些基本的因素可以適用于其霧化過程：

（1）霧化射流形成表面波的發(fā)展過程以及其中氣體產(chǎn)生的擾動作用，這個(gè)過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力學(xué)的原理，霧化過程中導(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的運(yùn)動速度等在射流場中分布情況都有關(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)的霧化過程的內(nèi)在機(jī)理研究向來都是噴霧過程研究中的一個(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。對霧化射流過程的研究往往需要基于深厚的流體力學(xué)理論知識與扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底，，才能對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)過程。

對液體的霧化過程機(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，往往是人們在實(shí)際應(yīng)用的過程遇到問題，需要通過研究其霧化機(jī)理對應(yīng)用進(jìn)行改進(jìn)和完善的時(shí)候才會開展。在 20 世紀(jì)從 30 年代才有人開始了對流體工質(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)理沒能完全的研究透徹。研究開展以來，主要形成了以下幾種主要的霧化機(jī)理學(xué)說。

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)，隨著三十年來國內(nèi)外研究工作者對其機(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)勢也在不斷展現(xiàn)。圖 2.2所示圖表來自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到1998年為止每年針對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)勢在更多領(lǐng)域中得到體現(xiàn)。

 針對氣泡霧化技術(shù)的研究一般都是關(guān)于噴嘴內(nèi)部流場特性或外部流場粒徑分布特性的。最早對噴嘴內(nèi)部流動特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的是Roesler，研究采用對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)對不同氣液比、噴嘴出口段收斂角以及出口直徑與長度比值等因素對噴嘴內(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)狀流型對氣泡霧化過程的不同影響。

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)一般整體長度在100mm左右，直徑在 50mm左右，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同會進(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，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，再從噴嘴出口射出實(shí)現(xiàn)霧化過程。

3  湍動霧化內(nèi)部流場特性研究........ 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)部兩相流模型和邊界條件............. 27

4   湍動霧化一次霧化過程計(jì)算 ......... 36

4.1   一次霧化概述.......... 36

4.2   理論計(jì)算................... 37

5   湍動霧化下游流場二次霧化特性研究............ 45

5.1   計(jì)算基礎(chǔ).............. 45

5.2   射流場穩(wěn)態(tài)模擬.......... 47

5   湍動霧化下游流場二次霧化特性研究

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

影響霧滴粒徑大小的主要因素是表面張力、液體粘度以及氣動力，噴嘴出口處的氣動力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始液滴的表面張力，因此霧滴在射出噴嘴后，會經(jīng)過一系列復(fù)雜的破碎、碰撞以及合并等過程，體現(xiàn)這一過程的就是霧化液滴粒徑沿著射流場軸向的分布變化規(guī)律，因此噴嘴軸向距離對是否能夠充分發(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)兩種仿真方法來對氣泡霧化噴嘴的外部射流場進(jìn)行模擬研究，并對研究結(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 仿真軟件對下游流場中二次霧化過程進(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，以軸向長度 20cm，徑向直徑 10cm 的圓柱形區(qū)域?yàn)橛?jì)算域，對計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流場進(jìn)口附近以及流場中心部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量為26萬，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)展將會在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用并發(fā)揮較大的作用，同時(shí)霧化對象流體也從傳統(tǒng)的低粘度牛頓流體開始往復(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。本文主要針對典型的氣泡霧化噴嘴的霧化過程進(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)部流場特性研究，針對內(nèi)部流場，結(jié)合以往實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果分析內(nèi)部流動形態(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)動態(tài)的過程，較大的GLR可以使內(nèi)部流場呈現(xiàn)環(huán)狀流動的形態(tài)。

（2）噴嘴外部射流場的一次霧化過程，由于噴嘴出口處流動及其復(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)確的對這一過程進(jìn)行研究。因此，結(jié)合大量的以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯σ淮戊F化過程進(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）噴嘴外部射流場的二次霧化過程模擬，針對噴嘴外部下游流場，采用Fluent 軟件對一次霧化時(shí)產(chǎn)生的霧滴在流場中的運(yùn)動模擬，分析了不同工況參數(shù)以及其他因素對二次霧化特性的影響，結(jié)果表明GLR 是影響整個(gè)射流場霧滴特性的關(guān)鍵因素，噴嘴出口直徑對霧滴粒徑的影響較為有限；在射流場中加入基板后流場中霧滴擴(kuò)散得到加強(qiáng)，說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）