基于FLUENT的纵向风速促进雾化数值模拟分析

唐 聪

（西华大学机械工程学院，四川 成都610039）

喷头广泛运用于农业喷洒、淋浴、消防与工业循环水雾化降温等领域。喷雾过程是一个突变的过程，其受到输入压力、输入流量、喷头结构、外部条件等众多因素的影响，喷雾粒径也受到输出速度与气液夹角等因素的影响。[1-2]现实生活中，单纯的喷头在大气压力中喷射很少出现，常常伴有纵向风与横向风的影响。现阶段，对横向风效果影响较多，但是对纵向风促进喷头雾化研究很少。ANSYS FLUENT软件是是国际主流仿真软件之一，其内置喷雾模型能够准确地模拟出各种喷雾效果。[3]本文在充考虑传热模型、湍流模型、组分模型与离散相模型的情况下，研究纵向风对工业循环冷却水喷头的雾化效果的影响。

1 模型与仿真方法

1.1 喷头模型

本文以某工厂工业循环水雾化冷却喷头为例，其喷头内径为8mm，进水温度为55℃，在0.2Mpa输入压力下，根据喷头内部的仿真结果所示，出口速度为20m/s，流量为0.2kg/s，粒径在0.1～0.5mm之间。喷头二维结构如图1所示。

图1 喷头二维模型

1.2 网格划分

运用ICEM CFD对雾化区域进行网格划分。划分网格时，考虑流场复杂性与雾化场边界结构，为保证结果的准确性，采用纯六面体非结构网格。雾化区域为4m×4m×4m正方体结构，网格数量为64000，用 Determinant 2×2×2 检查网格质量完全为1，网格质量优秀，达到雾化场仿真需求，网格划分如图2所示。

图2 雾化场网格划分

1.3 仿真方法

用双精度方式打开软件后，分别打开能量方程、标准k-ε方程、组分传输模型、离散相模型，喷头结构采用solid cone模型，粒径用rosin-rammler方法描述，设定喷头在纵向风吹过0.2s后流场达到稳定时开始喷射，喷射时间设置为1s，改变纵向风速为 0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，5m/s，10m/s，20m/s，分别对其进行数值模拟。

2 喷嘴喷射的数学模型

喷雾可看作不可压缩流体，其连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为：

式中：Vx，Vy，Vz分别为速度矢量分别在 x，y，z方向上的速度分量。

动量方程（N-S方程）为：

ui为 x、y、z方向上的速度张量，μ 表示动力粘度，单位为 N·s/m2；ρ 为流体密度，kg/m3。[4]

喷雾喷射是一种高湍流状态，因此采用标准kε方程描述。k是速度波动的变化量湍动能，单位为m2/s2.ε指速度波动耗散的速率，为动能耗散，是单位时间的湍动能，单位为m2/s3。其运输方程如下：

其中：Sk与Sε是用户自定义源项，Gk和GB是由平均速度梯度引起的湍动能的k的产生项，YM为压缩流体中脉动扩张的影响值，C1ε、C2ε、C3ε、σk、σε为常数，在 FLUENT 中，默认 C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.99，σk＝1.0，σε＝1.3[5-6]。

3 结果与分析

各风速下雾化粒径分布、雾化场中间轴线温度及雾滴中间平面雾滴粒径概率分布如图3、图4、图5所示：

图3 雾化粒径分布

图4 各纵向风速下雾化场中间轴线温度

图5 中间平面雾滴粒径概率分布

分析：对比各纵向风速下粒径分布图可知，随着纵向风速逐渐增加，纵向风有促进喷头快速实现充分雾化的效果，喷射时间同为1s时，无风状态下喷雾高度在3m，1m/s纵向风速下已经到达4m，当风速超过2m/s后，液体已经实现了充分雾化。

对比各纵向风下中间轴线温度可知，纵向风在促进喷头雾化效果的同时，可加快雾滴与空气之间换热。轴线方向刚开始时，温度有一定的上升阶段，是由于喷雾射出时，会与空气接触，在喷头处可形成单相区、空穴区及回流区三个工作区[7-8]。空穴区一般是空气，因此温度在轴线出是一个缓慢增加趋势。随着风速的增加，中间轴线最高温度由无风状态308开氏度，当5m/s风速时已经降到了306开氏度，在10m/s风速下，轴线方向最高温度已经在305开氏度以下，同比无风状态降温效率提高了12%。

根据各平面中间平面粒径大小可知，当无纵向风时，粒径大小在0.1mm到0.2mm之间递增，其中0.2mm处粒径达到了35%以上，且有8%左右的粒径大小超出了0.2mm；当纵向风速为1m/s时，中间平面粒径大小50%以上为0.18mm左右，0.2mm的粒径占11%；当风速为2m/s时，粒径小于0.2mm的占比已经到达75%，且大多在0.18～0.2mm之间；当纵向风速为5m/s时，中间平面粒径大小呈一种较均衡的趋势，受到蒸发的作用，小粒径液滴快速蒸发，较大粒径液滴数量占比相对升高，粒径集中与0.18mm，小于0.2mm的粒径仍占50%左右；当风速在10m/s时，粒径已经全部分布在0.2mm左右；随着风速的增加，粒径开始逐渐变小，且向某一数值趋近。

4 结 论

通过Fluent数值模拟可知，纵向风有促进喷雾更加迅速实现充分雾化的效果；且纵向风速有促进液滴蒸发，加快液滴换热的效果，风速越高，温度降得越快；随着风速的增加，液滴平均粒径会逐渐减小。本文可为纵向风促进雾化冷却相关研究提供参考；在设计需要采用通过雾化降温的机械装置时，可考虑使用纵向风促进雾化。