基于CFD的喷嘴喷淋性能的数值模拟

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1、山东豪迈化工技术基于CFD的喷嘴喷淋性能的数值模拟孟凡国，山东豪迈化工技术有限公司摘要：利用CFD软件对两种不同喷嘴出水口的喷淋效果进行了模拟，模拟结果显示出口处动压存在不规则分布，喷嘴2局部动压明显高于喷嘴1，动压的不规则分布会直接影响出口处的速度分布情况。改进后的两种喷嘴，喷洒时内部流场更加稳定，喷淋雾化水花更加均匀，喷淋水的效果更好，性能更加稳定。关键词：喷嘴；雾化；CFD引言喷嘴的结构及形状直接关系到喷淋效果的好坏，喷淋水膜过厚、喷淋面积较小，会导致热阻的增加和影响换热，计算流体力学（CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之

2、上的一门新型独立学科。它利用离散化数值计算方法，通过对不同条件下的流场进行边界设置以及数值模拟，解决一些复杂的流体流动和传热问题。本文对设有分流平台和分流槽的两种新型喷嘴，采用模拟的办法对喷嘴喷淋流场展开分析，比较两种新型喷嘴的喷淋性能，在模拟的基础上对两种喷嘴结构进行改良，为在实际选用这两种喷嘴提供参考依据。1数值计算模型1.1物理模型图1为喷嘴的几何模型。两种喷嘴分别由入口、分流平台（分流槽）以及底座部分组成。喷嘴在工作时，水从喷嘴上部入口流入，经过短暂的重力加速，具有一定的出水速度，在喷嘴1中，喷淋水通过出口后，一部分水落到分流平台上，

3、经过分流平台的缓冲，水膜以一定速度伞状喷洒出去；在喷嘴2中，大部分喷淋水以直线形式直接落到底座上，水流经过碰撞后喷洒出去。两种喷嘴的具体结构尺寸如下所示。1山东豪迈化工技术图1两种喷嘴的几何模型参数1.2数值模型在本例中喷淋水通过喷嘴喷洒，经过分流平台、分流槽和底座的缓冲，使水流分布较为均匀，扩大喷淋面积，均匀分布，采用标准κ-ε模型。对于近壁面处，采用标准壁面函数进行处理。在数值方法中选用VOF两相流算法。2流场模拟结果的分析本文从喷嘴雾化效果、压力场、速度场分布方面对喷嘴外部流场展开模拟分析，结合模拟结果对结构提出一定的改进方案。2山东豪

4、迈化工技术2.1喷雾过程的显示图2不同时刻的喷嘴雾化效果图观察图2不同时刻的喷嘴雾化效果图可以看出，喷嘴在工作时，水从喷嘴上部入口流入，经过短暂的重力加速，具有一定的出水速度，在喷嘴1中，喷淋水通过3山东豪迈化工技术出口后，一部分水落到分流平台上，经过分流平台的缓冲，水膜以一定速度伞状喷洒出去。2.2压力场特征图3模型1喷嘴的静压图及动压图图4模型2喷嘴的静压图及动压图图5种不同喷嘴在不同进水速度下的动压差值对比图3及图4显示了喷嘴1和喷嘴2在进水速度为0.5m/s情况下0.5和3s时XY面静压场整体分布情况及动压分布情况。从图中可以发现，喷

5、嘴1在工作时，4山东豪迈化工技术喷嘴出口静压分布较为均匀，盘管间压力呈梯度增大，静压较高区域出现在流场底部；喷嘴2在相同进水入口速度下工作时，整个流场静压较为平均，但喷嘴出口处静压分布明显具有不均匀性，在喷淋水到达分流底座分流槽前，中心喷嘴静压很大，预测这是由于喷淋水没有喷嘴1分流平台的缓冲，大部分喷淋水以直线形式直接作用于喷嘴支架底座，流体流动方向出现较大改变，流速也发生了较大变化，进而导致了该区域出现较高静压值。图4为两种不同喷嘴在不同进水速度下的动压差值（取流场最大和最小动压之差）对比情况。在进水速度较小的情况下，2种喷嘴流场动压差值处

6、于同一大小，随着进水速度的加大，二者动压值整体都呈现增大的趋势。其中，喷嘴2在运算过程中动压值始终高于喷嘴1。2.3速度场特征图6模型1喷嘴的速度云图及矢量图图7模型2喷嘴的速度云图及矢量图图6和图7为2种喷嘴在1m/s的进水喷淋速度下，5s时流场的整体速度分布与局部速度分布图。从局部速度分布图发现，喷淋水经过重力作用加速后速度变大，在碰到分流平台和分流槽后，速度轨迹发生变化，速度有个较为明显变小的过程，出水口两侧速度分布存在不均匀性。对比图3中局部动压分布情况，两者分5山东豪迈化工技术布情况相似，综合图1中静压分布基本没变化，所以推测认为动

7、压的不均匀分布会直接影响到喷嘴出口流体速度分布。2.4喷嘴模型的改进针对上述2种喷嘴在实际运行中出现的问题，在数值模拟基础上，对其结构进行了改进。增设分流平台能够减小平台下面的空气漩涡，增加喷淋水的覆盖面积；增大分流底座直径，增加分流槽数量，能够使喷淋水喷淋更加均匀化。对2种改进后的喷嘴进行喷淋模拟。在图9中，局部放大并详细列出了改进后2种喷嘴物理模型的尺寸大小分布。其改进前后入口3m/s情况下的流场速度分布对比如图10所示。图9改进后2种喷嘴的模型尺寸（a）喷嘴1改进前后速度分布6山东豪迈化工技术(b)喷嘴2改进前后速度分布图10改进前后2

8、种喷嘴在进水速度为3m/s下流场的速度分布从图10流场速度分布对比图可以看出，喷嘴1的喷淋水经过喷嘴双层分流平台，流体轨迹因二次碰撞发生改变，流体流速减慢，喷淋角度