空气助力扇形喷嘴雾化质量数值计算及喷嘴内部流动和空化现象的CFD三维模拟（可编辑）

空气助力扇形喷嘴雾化质量数值计算及喷嘴内部流动和空化现象的CFD三维模拟（可编辑） 空气助力扇形喷嘴雾化质量数值计算及喷嘴内部流动 和空化现象的CFD三维模拟 分类号:TB05 10710-2010122070硕 士 学 位 论 文空气助力 扇 形喷嘴雾 化 质量数 值 计 算及喷 嘴内部流 动 和空化现 象 的 CFD 三维 模拟 卢林春导师姓名 职称 曹建明教授 动力机械及 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 申请学位 级别 硕士 学科专业 名称 论文提交 日期 2012 年 11 月 20 日 论文答辩 日期 2012 年 12 月 15 日 学位授予 单位 长安大学 Atomization quality numerical calculation and internal flow and cavitation CFD 3D simulation on Air blast nozzle A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate :Lu Linchun Supervisor :Prof. Cao Jianming Chang’an University, Xi’an, China摘 要 常用的雾化喷嘴虽然结构简单, 但喷射压力高、 雾化质量较差。 空气雾化喷 嘴是一种广泛应 用于液体雾化的装置。 其主要特点就是在喷嘴内部设计了空气流 道, 利用高压空气的喷散作用, 以较高的速度夹带着液体喷出, 使液体雾化成更 细的液滴。 本文通过数值计算和模拟仿真相结合的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 对内混式空气雾化喷嘴 的雾化质量和内部流动进行了研究。 运用导师曹建明教授推导的喷雾液滴尺寸分布函数, 用 Fortran 语言编 写计算 程序, 对喷雾液滴尺寸分布进行数值计算, 理论计算与马尔文测得的实验数据进 行对比分析, 理论计算结果与喷雾特性试验结果拟合 良好, 均为单波峰曲线, 均 呈先增大后减小的趋势,验证了喷雾液滴尺寸分布模型的有效性 。 由于喷嘴 的尺寸小, 结构复杂, 其内部的流动难以通过传统的物理模拟实验 进行可视化研究, 而 喷嘴内流体的宏观流动和湍流脉动对喷雾有强烈的影响。 随 着计算流体力学 CFD 软件技术的发展,可以利用计算机数值模拟方法对喷嘴性 能进行模拟研究。 本文 采用 CFD 对 喷嘴内部 流场的流动进行了三维的 仿真模拟, 分析了不同工况下 内部压力分布、 速度分布、 气液体积分布 以及内部空 化现象的 研究, 数值模拟结果对于空气雾化喷嘴在现实中的应用具有指导意义 , 这 对之前 的喷嘴实验研究是一个很好的补充 。关键词: 空气 雾化喷嘴;数值计 算;CFD 模拟 ;空化 IAbstract Although common nozzle has the advantages of simple structure, high injection pressure, but poor atomization quality. Air blast nozzle is widely used in liquid atomization device. Its main characteristic is which designing air channel in the nozzle, using compressed air spray effect, at high speed with liquid discharge, to atomize the liquild into fine droplets.In this paper, the atomization quality and the internal flow of the internal mixing air blast nozzle are investigated by combining numerical calculation and simulationBase on spray droplet size distribution function which is derived by Professor Cao Jianming ,this paper calculates spray droplet size distribution by computation program programmed by FORTRAN language. The comparative analysis showed that theoretical calculations results fits well with the the Malvern measured experimental data,.And single crest curve showed a decreasing trend in the first increases and then verify the effectiveness of the spray droplet size distribution modelBecause the nozzle size is small, the structure is complex, and its internal flow visualization studies is difficult by a conventional physical simulation experiment, and the macroscopic flow and turbulence of the fluid in the nozzle pulsation has a strong effect on the spray. With the development of computational fluid dynamics CFD software technology, nozzle performance is studied by computer numerical simulation. This paper bulit the three-dimensional model in CFD to imitate the internal flow field of the nozzle, and analyzed internal pressure distribution, velocity distribution, gas-liquid volume distribution and internal cavitation under different conditions. Numerical simulation results within the air blast fan nozzle has guiding significance.It is a good make-up to the nozzle experimental research Key words :Air blast nozzle ;numerical calculation ;CFD 3D simulation ;cavitationII目 录 第一章 绪论. 1 1.1 引言 1 1.2 喷嘴的发展概述. 2 1.3 喷嘴的研究内容和手段. 2 1.4 空气雾化喷嘴研究 4 1.5 喷嘴内部流动及空化研究 7 1.5.1 喷嘴内部流动研究概述 7 1.5.2 空化现象 8 1.5.3 空化形成机理. 8 1.5.4 空化产生和发生的影响因素. 9 1.5.5 喷嘴空化及其影响因素 9 1.5.6 喷嘴空化的研究方法10 1.6 本文研究内容 11 第二章 喷嘴三维流场数值模拟计算方法 12 2.1 计算流体动力学CFD 概述. 12 2.1.1 CFD 仿真软件介 绍12 2.1.2 CFD 软件的基本 环节. 13 2.1.3 计算流体动力学(CFD )的基本内容和 求解过程14 2.2 流体基本控制方程 16 2.3 湍流模型的选择18 2.4 控制方程的离散化 19 2.4.1 离散化的目的. 19 2.4.2 离散化的方法. 20 2.5 流场数值计算的方法 21 2.5.1 耦合式解法 coupled method21 2.5.2 分离式解法 segregated method 21 2.6 多相流模型的选择 22 2.6.1 VOF 模型 23 III2.6.2 混合模型 23 2.6.3 欧拉模型 23 2.6.4 离散相模型23 2.7 FLUENT 软件介绍 23 2.8 本章小结 25 第三章 喷嘴的三维数值模拟分析26 3.1 多相流的计算方法 26 3.2 喷嘴几何模型27 3.3 喷嘴内部流场的网格划分28 3.4 求解器及计算模型的选择 29 3.5 流体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 物理属性 29 3.6 喷嘴内部流场仿真的边界条件. 29 3.7 喷嘴内部流动过程的模拟结果分析30 3.7.1 压力分布. 30 3.7.2 速度分布. 35 3.7.3 气液相的发布39 3.8 本章小结. 40 第四章 喷嘴液滴雾化质量的数值计算. 41 4.1 雾化液滴尺寸分布函数 41 4.1.1 经验分布函数的介绍41 4.1.2 理论分布函数的介绍42 4.2 雾化液滴尺寸分布函数的推导. 45 4.3 雾化液滴尺寸计算所需的理论参数. 47 4.2.1 拉格朗日因子47 4.4 雾化液滴尺寸的理论计算 47 4.5 本章小结. 50 第五章 全文总结与展望. 51 5.1 全文总结. 51 5.2 工作展望. 52IV参考文献53 攻读学位期间发表的论文. 59 致 谢 60 V 长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 引言 喷雾应用范围十分广泛, 几乎包括所有工业领域、 农业生产、 医药行业以及人们生 产生活的 方方面面。大 到电厂大型喷雾燃油锅炉、 飞机发动机燃烧室、 大功率船舶柴油 发动机与燃气轮机燃烧室、 粉末冶金; 小 到农业 灌溉和杀虫 喷雾器、 发胶、 医用喷雾 剂、 空气加湿器以及生产中的喷雾干燥、 喷雾冷却等等 , 都可见喷雾的实际应用。 正 因为喷 雾在大家 的生产生活 中有着如此重要的影响, 因此喷雾受到了 众多国内外不同领域的 研 究者一个多世纪的深入研究。 喷雾是通过喷嘴 将液体喷射到气体介质中,由于表面张力、 空气动力、 惯性力以及粘 性力等 多种力的相互作用, 连续的圆射流或液膜射流就会先碎裂成液片、 液线及大量大 [1] 颗粒的液滴,然后再进一步 碎裂成大量小颗粒的细小液滴 。 国内外许多研究者 对喷嘴雾化方法进行了 大量的实验 和理论研究。Weber 最早提出 了表面波 模型, 并且他还提出了低速粘性和非粘性圆射流 由于受到周围 空气扰动 而形成 [2] 的不稳定模型 。Haenlein 进一步对圆射流的 表面波 模式 作了分类,Ohnesorge 提出了与 [3] 雷诺数 Re 相关的圆射流 碎裂的三种模型 。Reyeigh 研究了低速非粘 性圆射流的破碎机 [4] [5] 理,Squire 、Hagerty 研 究 了 非 粘 性 液 膜 射 流 在 不 可 压 缩 的 稳 定 气 体 介 质 中 的 不 稳 定 ~ ~ [6 7] [8 9] 性, Fraser 和 Dombrowsk 对扇形液膜 射流的 破碎 过程进 行了 一系列 的研 究。西 安交通大学用应用 KIVA 程序和 CHEMKIN 程序联合数值计算燃料 的化学反应动力学 和喷雾油滴的尺寸分布。 长安大学曹建明 教授根据最大熵原理 推导出喷雾液滴尺寸分布 函数, 然后利用 Fortran 编译程序对喷雾特性进行了 广泛深入 的理论和实验研究。 随着 CFDComputation Flaid Dynamics 技 术 的发展,可 以利 用计 算 机数值 模拟 方法 对喷嘴 喷雾特性 进行模拟研究。 国内外 一些学者对喷嘴内部和 外部流场进行了 广泛深入 的模拟 研究。Sung Wook Park 等人 利用 CFD 对组喷孔喷嘴在不同的收缩和扩张角度下 的喷雾特性进行了模拟。Smith 等人采用 CFD 中的 VOF 模型对气体 雾化 喷嘴 在不同工 作参数下 喷嘴出口液膜厚度和 速度的变化, 以及雾化锥角 进行了模拟研究。 马飞 等利用 CFD 模拟了扩张喷嘴的 内部流场流动, 分析了喷嘴的结构参数对喷嘴内部的压力、 速度 分布和出口速度的影响, 并通过实验验证了 数值模拟结果 是可信的。 王国辉等利用 VOF 模型对不同结构尺寸下的旋流式喷嘴内部的气液两相流做了模拟计算 。 1 第一章 绪论 1.2 喷嘴的 发 展概述 自十九世纪八十年代 喷嘴开始用于喷雾燃烧以来,目前喷嘴 的应用已扩张到燃烧、 清 洗、 喷涂、 干燥、 冷却 等生产生活的各个领域 , 经过长期的开发研制、 创新发展, 喷嘴 的喷雾方式和形状结构多种多样, 适 用范围也越来越广泛 。 目前 最常用的喷嘴以下三种 类型: 1 直射式喷嘴:1892 年狄塞尔率先 将直射式喷嘴应用在柴油机上 , 直射式喷嘴也 是喷嘴最早的形式 。 主要依靠高压液体从 喷孔喷出, 压力能转换成动能, 进而获得高速 射流, 高速 射流与周围 空气之间强烈的摩擦 作用来达到液体雾化 的目的。 这种喷嘴 结构 简单、穿透 能力较强,但必须具备足够的大的压力差才能达到理想的雾化效果 。 2 离心式喷嘴: 始于 1902 年, 喷嘴内部有螺旋槽或旋流室, 液体从切向孔 (或切 向槽) 进入旋流室, 在离心力的作用 下形成环状 液膜从喷口离心喷出, 高速液流在 气体 介质的剪切力作用下 碎裂成液滴。 离心式喷嘴结合了离心作用和压力差作用, 所以其 雾 化效果要比 直射式喷嘴 好。3 气动喷嘴: 始于 60 年代, 需要 外加一定压力的空气 , 利用高速气体与低速 液 体之间的 速度差产生的 剪切、 加速作用, 使液体碎裂雾化。 具有 雾化质量好、 气耗率低、 工 况 可 在 较 大 范围 内 调节 等 特点 , 但气 体 速度 对 雾 化 效 果 影响 很大,低速时 雾化效果 不佳。 1.3 喷嘴的研 究内容 和 方法 喷嘴雾化特性是喷嘴性能的综合反映, 通常用液滴的平均 粒径、 尺寸分布、 喷雾 锥 角、 以及 喷雾贯穿距等 特征参数表征喷嘴的雾化特性 。 喷嘴雾化特性的影响因 素主要包 括 液态工质特性 ( 主 要是 表 面 张 力 和 粘度 ) 、喷 嘴 的 结 构 尺 寸 、 工 作参 数 、 加工质量。 目前喷嘴的研究方法主要有两大类: 实验和数值方法。 实验方法主要是 利用综合了可视化和计算机图像处理技术为一体的先进仪器设备 , 通过实验 对喷雾特性参数进行测量, 观察喷嘴 喷雾的物理过程 。 对雾化质量评价参数的 测量主要是对液滴尺寸、 速度、 喷雾锥角及贯穿距等 的测量, 主要包括 机械测量方法 (液 滴 固 化 法 、 沉 降法 、 压痕 法 ) 、 电 子 测量 方 法 ( 电 极 法 、 导 线法 、 热线 法 ) 和光学测量 方法 (闪光摄影法、 激光全息摄影法、 高速摄影和高速摄像法、 激光多普勒法 、 马尔文 [1] 法)等 。冷态模拟试 验 是目前最主要的试验 方法,在冷态 条件 下采 用水、空气等模拟 2 长安大学硕士学位论文 介质进行试验, 利用 PIV 、 马尔文等光学仪器对喷雾的粒径、 速度及尺 寸分布进行 测量, 研究 喷嘴的流量 变化规律和雾化特性。 还有一种是热态模拟试验, 即 在热试条件下 通过 透明窗对喷嘴下游燃烧过程进行 可视观察, 通过光学拍摄得到喷嘴雾化过程图像及燃烧 [3] 过程中 液滴运动和组份分布等信息 。 数值方法又分为数 学理论计算和计算机数值模拟两种。 数 学理论计算是基于 流体力 学等理论 知识, 结合流体工质的物理特性对喷雾特性进行数学理论推导 。 用数学 方法对 喷雾 机理进行理论研究和实验验证已经成为国内外学者研究喷嘴雾化的重要方法。 喷嘴 雾化 理 论 研 究 较 多 的 大 学 有 : 美 国 的 普 林 斯 顿 大 学 (Princeton University ) 、 西 北 大 学 (Northwesten University ) ,加拿大的维多利亚 大学(University of Victoria ) 、滑铁卢大 学(University of Waterloo ) ,英国的帝国大学(Imperial University ) , 日本的东京大学 (University of Tokyo ) 和我国的天津大学、 长安大学等。 用数值 理论计算方法对雾化形 成和特点进行分析与预测, 可以从流体雾化的本质上确定雾化的机理, 并 提出改善雾化 质量的途径。 随着 CFD 软件的兴起,对喷嘴进行数值模拟 已成为一种重要的研究方法。 利用 CFD 对喷嘴 的数值模拟可归纳 为两类:一类是模拟喷嘴内部流场流动过程,主要 包括内部的压力分布、 速度分布、 空化等的模拟分析。 另一类是对喷嘴 外流场的射流速 度或者喷雾液滴的 运动状态、 粒径分布等的模拟研究。 这种方法的重点 : 一、 是建立合 适的 计 算网 格 , 二、 针 对不同 的研 究喷 嘴和 研 究目的 采用 合理 的 计 算 模型。A. Kushari 等建立两相流模型, 对内混式喷嘴的喷雾过程进行了数值模拟, 得到的液滴索特平均直 径与实验结果拟合的很好。 由于喷嘴内部流动和外部液膜碎裂、 雾化的复杂性, 很难用一种研究方法对喷嘴进 行全面的研究。 传统的喷 嘴研究主要 依靠实验和经验公式, 受 实验条件、 测量 方法、模 型大小 、 流场扰动的 影响, 而且投入成本 高、 周期长。 纯粹用实验方法总结的经验公式 或半经验公 式受到实验条件、 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 等 的影响, 难以通用。 实验方法也很难得到喷嘴 内部流体速度、压力及其它 参数。而 CFD 数值模拟方法可以克服传统喷嘴研究方法的 一些弊端, 既可以替代绝大多数传统的实验研究, 也可以对实验研究进行补充分析。 对 喷嘴的研究 需要用 数值模拟、 理论研究 、 实验三者相结合, 才能 全面完善地解决 喷嘴任 何问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 3 第一章 绪论 1.4 空气 雾化 喷嘴研究 空气雾化喷嘴是一种 利用高速空气与低速液体射流相互剪切作用使液体碎裂、 雾化 成细小液滴的装置 。 空气雾化喷嘴一般按照雾化 空气供给装置的不同可分为高压和低压 空气雾化喷嘴 两种。 高压雾化喷嘴利用压 缩机供气,空气压力 高于 0.1 MPa ,低压雾化 喷嘴利用鼓风机供气,空气压力低于 0.1 MPa 。空气雾化喷嘴 根据气液混合方式分为内 混式和外混式 空气雾化喷嘴 ,如图 1-1 和图 1-2 所示。在内混式空气雾化喷嘴 中,液体 和气体在内部混合 雾化 , 雾化原理是空气碎裂和撞击 , 雾化效果理想。 喷雾形状有圆形、 环形、 扇形等。 在外混式空气雾化喷嘴中, 气体和液体喷出后, 利用高速 气流对液体进 [1] 行摩擦雾化,雾化效果一般 。 图 1-1 内混式空气雾化喷 嘴 图 1-2 外混式空气雾化喷 嘴 几种型式的 内混式 空气助力喷嘴如图 1-3 所示。 图 1-3 a 所示是一种燃 气轮机用喷嘴。 图 1-3 b 所示是一种实 验室用喷嘴,两相流体混合较为简单。图 1-3 c 所示是 Y 型射流 喷嘴,广泛用于大型燃油锅炉。它有数个直径 2~20 mm 的圆形喷孔,围绕喷嘴头部环 形排列。 空气与燃油呈 Y 形角度在喷嘴内部混合, 经喷口喷射成圆锥形油束。 用于大型 锅炉的 Y 型射流喷嘴的燃油流量可达 2 kg/s , 燃烧室内的高温使燃油的粘度和表面张力 降低,增强雾化。图 1-3 d 所示是二级雾 化喷嘴,空气切向进入喷嘴的混合室,液体沿 气体涡流的横向喷入, 在混合室内形成一级撞击雾化, 混合的两相流体喷出混合室, 冲 击到撞击圆盘上形成二级撞击雾化。 由于撞击圆盘的导流作用, 这种喷嘴能够有效控制 喷雾锥角。4 长安大学硕士学位论文 图 1-3 内混式空气雾化喷 嘴的几种型式 a)燃气轮机喷嘴 b )实验室用喷嘴 c )Y 型 射流喷嘴 d )二级雾化 喷嘴 空气雾化喷嘴 具有雾化 费用低、 液体适用种类 广、 气耗率小、 结构简 单、雾化质量 高、 调节范围大等优点, 广泛应用于工业燃气轮机、 燃油锅炉及其它化工设备中 , 但空 气雾化 喷嘴的缺点是需要一个附加的高压空气压缩机, 多用于 地面工业发动机起动和加 速的过程中 。 [4] 旋流杯空气雾化喷嘴 美国通用电器 (General Electric , 简称GE) 公司 提出并发展 。 从 1980 年开始 ,国内外众多学者对旋流杯空气雾化喷嘴进行了 大量研究,特别是在流 [13-22] 场、喷雾场、 燃烧等 方面。国外的主要代表包括 GE 公司的 Mongia 等 和 Wang 等 ~ [23-27] [28] [29] [30 31] ,国内主要以林宇 震 等、 徐华胜 等 和黄勇 等为代表 。Mongia 等对旋流 杯 空 气 雾 化 喷 嘴 的 设 计 方 法 进 行 了 经验 总结, 并 使用 不 同 的 建 模 方 法 对 其 进 行 了 进一步 模拟 研究。 罗国良, 宋双文等研究了旋流杯空气雾化喷嘴套筒出口形状对小型燃烧室点 火性能的影响, 发现套筒出口形状会影响下游的空气流场和液雾浓度场之间的匹配, 从 而会导致点火性能的差异。 张弛等研究了不同空气压力降和气液比工况下直射式 双旋流 空气雾化喷嘴的索 特平均直径SMD 及分布指数。 [32] 曹明骅 研究了雾化空 气速度、 燃烧室压力、 气液比、 介质种类和喷嘴结构对空气 雾化喷嘴喷雾锥角与后方燃油浓度分布的影响, 对高压空气 下雾化喷嘴后方燃油浓度分 布做了 有益的探索。 [33] 金如山 等对 空气雾化 喷嘴的研究表明, 最主要的因素是空气流速及气液比, 液体 流道等结构尺寸。 普遍的规律是空气流速 越大、 液滴平均粒径越小,而液滴尺寸分布指 数减小 , 即液滴尺寸分布 更不均匀; 当空气流速保持不变 时 , 增大气液比, 使 液滴平均粒 径变小 但当气液比大于 1-2 后,效果不大 , 同时 液滴尺寸分布变得更为 均匀。 [34] 武汉工业大学吉晓莉、陈家炎 对 内 混 式 空 气 雾 化 嘴 嘴 的 雾 化 特 性 进 行 了 实 验 研 5 第一章 绪论 究, 得到了有关几何结构尺寸对雾化细度 MMD 的关系曲线和数据, 得出了此类喷 嘴的 一些有意义的雾化规律, 为 这种喷嘴应用于 气流磨中作为表面改性 剂的设备中提供了有 价值的实验依据和方法。 [35] 黎国保 等 以水模拟航空煤油, 空 气 作 为 雾 化 工 质 , 充分 考虑了 湍 流 作 用 以 及 液滴 的破碎、 碰撞以及 气液 相的耦合作用,建立了二次射流空气雾化喷嘴雾化模型 ,采用相应 的算法 对 二 次 射 流 空 气 雾 化 喷 嘴 喷 雾 过 程 进 行 了 数 值 仿 真 研 究,发现 二 次 射 流 空 气 雾 化 喷嘴比普通空气雾化喷嘴 雾化效果更好。 [36] 王兴甫 利用高背压喷 嘴实验设备, 实验研究了空气雾化喷嘴在高背压环境中的雾 化性能。 实验结果表明, 在实验的环境压力和液体粘度范围内, 提高喷嘴 的气液比可以 改善雾化效果。 试验还发现, 对于高粘性的液体, 随着环境压力的提高, 喷雾中的液滴 尺寸趋于更加均匀, 但是喷雾中液滴平均直径随背压增高究竟是增大还是减小, 这取决 [5] 于液体的粘性 。 [37] Sattelmayer T 和 Wittig S 提出,液膜式空气 雾化喷嘴内的液膜流到喷嘴出口处会 产生周期性的堆积,因此液膜的厚度,流动状态,及液流量对雾化质量没有直接影响。 T. Sakai,etc 研究了内混式空气雾化喷嘴的 内部流体流动状态, 如图 1-4,内混式空气雾 化喷嘴混合腔内 流体流动状态 , 随气液比变化而变化。 当气液比 较小时, 液体基本充满 整个混合腔内 ,而气体以气泡形式在混合腔内流动 ,如图 1-41 ;随着空气量的增加, 混合腔内 逐渐形成了 空气与气- 液的混合物 的流体流动, 如图 1-42 ; 随着气液比的增 大, 气- 液 混合 物 下降 ,空 气在 混合 腔内 上升,如图 1-43 ;当 气液 比 很 大时,气- 液混合物 上升到混合腔的端部如 图 1-44 。 很明显可以 看出图 1-41 的流态 是 气泡流,1-44 的流 态已形成了 雾滴流。 图 1-4 混合腔流态6 长安大学硕士学位论文 [38] Arthur H Lefebvre 通 过对 空气雾化喷嘴的 结构和雾化机理 研究,发现影响喷嘴雾 化质量的因素 主要包括 空气的扰动、液体 粘度、表面张力、 喷嘴的结构大小等 。 [39] M. Adelberg 等研究表 明当在空气辅助雾化喷嘴的空气流的动态压力足够大时, 表 面波的振幅将增长。 [40] C. Engelbert , Y.Hardalupas and J. H.Whitelaw 利用高速摄像仪和多普勒测速仪对空 气雾化喷嘴进行了碎裂实验, 照片表明 喷雾液滴大小主要是由液体射流的一次碎裂之后 再度碎裂的二级碎裂决定 ,多普勒测速仪经测量后证实大多数液滴集中在中心线附近, 中心线附近的液滴的平均粒径达到最大且液滴和空气流的相间滑移速度最低。 1.5 喷嘴内部 流动及 空化研究 1.5.1 喷嘴内部流 动研究概述 最近几十年 , 大量的实验和理论研究 结果表明: 喷嘴的 内部结构决定了喷嘴出口的 外部 流场,而出口 的外部流场决定了喷嘴雾化后的特性参数。但 因为喷嘴的模型大小 , 复杂的内部 结构 , 很难通过传统的物理实验 方法对喷嘴内部的流动 进行可视化研究 。 随 着计算流体力学软件 CFD 的出现,对喷嘴内部 流场数值模拟是 也逐渐发展起来的。 目 前对喷嘴 内部流动的研究主要采用 流动体积法 简称 VOF,Volume-of-Fraction 和 拉格朗日- 欧拉耦 合 法 (简 称 ALE ,Arbitrary-Langrangian-Eulerian 。 [41] Jeng 等 采用 ALE 方法追踪了压力雾化喷嘴的 气液交界面 ,通过气液交界面 预测 了喷嘴出口处液膜的速度以及喷雾锥角。 [42] 任小增 运用 CFD 软件对扇形 喷嘴内部流场进行模拟 研究,探索了不同 的结构参 数对 其内部流场的 流态、压力分布及射流速度的影响 。 [43] Lohn 等 对喷嘴内部流场特性 进行 了 有限元 数值 模拟研究 ,并采用 压力传感器和 激光测速仪对模拟 结果进行了验证。 [44] Payri 等人 使用 CFD 分析了不同喷嘴几何形状对空化过程的影响 。 [45] Som 通过计算系统地研究了 喷射压力、 针阀位置和燃油种类对柴油喷嘴内部 流动 和空化过程的影响。 [46] 何志霞等人 通过三维 模拟计算 了喷嘴结构对内部流动特性影响。 [47] 汪翔和苏万华 在单一 相 平衡流模型 基础上, 利用空泡动力学方程, 对柴油喷嘴内 部空化过程及流动特征 进行了研究。 [48] 金如山等 对空气雾化 喷嘴 在空气流速、 气液比、 喷嘴几何尺寸等参数下的喷雾特 7 第一章 绪论 性做了研究,实验表明空气流速和气液比是影响 SMD 最主要的因素。 喷嘴的内部流动对喷嘴雾化质量有着重要影响, 所以对喷嘴内部结构的研究有着实 际的意义。 近 年 来大量 的研究结果表明, 由喷嘴内部空化对液流造成的紊乱对液束雾化 [49] 影响远远大于由 液束 与周围空气摩擦所造成的影响 。 喷嘴的空化已 经成为影响喷嘴流 动和喷雾质量的一个重要影响 因素。 [46] 何志霞, 柏金, 王谦 等 将实际多孔喷油器放 大十倍后加工成透明喷油嘴头部, 搭 建可视化试验装置, 观察不同燃油喷射压力下的喷嘴内的空穴流动现象, 通过改变进口 压力, 再现了喷孔内由单相湍流、 部分空穴流到超空穴流时不同流动形态, 并得出了该 放 大 喷 嘴 内 空 穴 临 界 压 力 值 。 该 试 验 研 究 为 研 究 喷 嘴 内 空 穴 两 相 流 动 提 供 了 直 接 的 手 段。试验结果也很好地验证了 喷嘴内空穴流动数值计算结果 的准确性。 [50] 贾明, 解茂昭, 刘红 等 使用 Mixture 模型和空化模型对 伞喷喷嘴内的空化流动过 程进行了数值模拟研究 . 研究发现, 伞喷喷嘴内的空化发展显著影响了喷嘴出口处的液 膜厚度和喷射速度,进而直接 影响到喷射锥角 、喷雾贯穿距以及 液滴的索 特平均直径。 1.5.2 空化现象 当液体内部局部压力降低 到某一临界值 时, 液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的 空泡的初生 、 发展和溃 灭的过程, 称为空化 现象。 空化现象是以一种液体内部发生的液 体变为气体,单相流变两相流的 随机过程, 空化现象瞬息万变,非常复杂。 空化 现象具有以下 三个特点: 1 空化是 一种液体 特有的现象,也就是说空化现象 只在液体 中发生; 2 空 化 是 液 体 局 部 压 力 降 的 结 果 , 液 体 内 部 局 部 压 力 降 到 液 体 在 当 地 温 度 下 的 饱 和蒸汽压,就会发生空化。3 空 化 现 象 是 包 括 空 泡 初 生 、 发 育 和 溃 灭 , 它 是 的 一 种 随 机 的 , 非 恒 定 的 动 态 过 程。 1.5.3 空化 形成机理 空化现象的产生有 两个必要条件: 液体中 存在气核和局部 低压场。 由于受环境因素 和气体分子运动的影响, 通常我们见到的液体都不是纯液体, 里面含有 大量杂质微粒 和 [51] 许多微气泡 。对半径在 20 μm 以下的微气泡 ,我们称之为气核或空化核 。当液体 局 部压强低到 当地温度下的饱和蒸气压强时, 气核开始膨胀增大 , 并从液体中析出。当 液 体局部压强 高于当地 温度下的饱和蒸气压强时, 气泡湮灭,并伴有强烈的冲击 。8 长安大学硕士学位论文 1.5.4 空化产生和发生的影响因素 影响空化产生和发生的 因素很多,比如流场边界条件、 液体的粘性、 流速、 表面张力、 气核、 液体中的杂质和气核、 局部压力变化 等。 其中压强和流速是 空化产生的 最主要的 影响 因素。 1 液体粘性的影响 最早由 Parkin 和 Kermeen 通过对锐缘圆碟的空化试验发现 粘性对空化初生有影响 。 粘性 可以影响边界 层的分离, 从而影响最小压力点 在壁面上 的分布, 也就了影响空化初 生的位置 。 2)表面张力的影响。 黄继汤等 通过 实验 发现,表面张力 会加速 空 泡的 收 缩 , 而 延 缓 空 泡 的膨 胀 , 液 体 表 面张力越大,空泡的直径也就越 小;表面张力 会加剧空泡溃灭 速度。 3)液流中含气量及气核分布的影响。 在 流速 不变的情况下 ,液流中含气量越多空化强度也就越大 ; 如 果 含 气 量 小 且 固定 不变 时, 随流速的 越大空化强度也就越大 。 液流中存在气核是空化发生的必须条件, 所 以气核对空化的影响也很重要。同一条件下,气核 的尺寸越大的 发生空化的几率越高 。 4)边界壁面 的影响。 壁面的粗糙度会影响空化的初生,壁面越 粗糙越容易发生空化 初生 。这 是 由于 在粗 糙地方液流与壁面 容易发生分离, 产生 负压脉动, 易于发生空化; 壁面材料的浸溶性也 会影响空化的发生, 亲水材料主要影响流动气核, 而 疏水材料主要 影响表面气核 , 而气 核对空化有很重要 的影响。 5)压强分布的影响 当流场局部 压强小于或等于当地温度下的 饱和蒸汽压时, 空化就会产生。 压强是影 响空化初生最直接的 因素。 6)流速的影响 流速主要是 通过影响剪切层的压强使得边界层压力系数的分布 发生变化, 间接地影 响空化初生 。此外 ,流速也会加速气核 膨胀过程。 1.5.5 喷嘴空化及其影响因素 空化的初生和发展 , 在喷嘴内如以及喷嘴出口附近产生强烈的扰动 , 对雾化起积极 作用 。 另外空化气泡的溃灭 产生的瞬间高压 也会对喷嘴壁面产生剥蚀 , 从而会 影响喷嘴 9 第一章 绪论 的使用寿命。Osman Asi 研究某失效的车用喷油嘴 , 通过扫描电镜发现在喷嘴开裂区域 表面有气蚀的痕迹 。Gavaises 等研究发现空化 发生的位置也是 空蚀导致磨损位置。 空化 [56] 既有利的一面,也有害的一面, 所以研究空化 和控制空化具有非常重要的 现实意义 。 影响 喷嘴 内部 空化的 初生 和 发展 的因素很多 。主 要 有 喷嘴自身 结构 和环 境 条件 两个 方面的因素 : 喷嘴自身 结构因素包括喷嘴的类型、 喷嘴结构、 喷嘴内部圆角、 喷嘴的长 径比以及喷嘴的加工粗糙度 等。 环境因素 包括喷射压力、 背压 大小等。 此外, 流体 的粘 性、表面张力等物理 特性也会影响喷嘴内部 空化的初生和发展。 1.5.6 喷嘴空化的研究方法 喷嘴空化的研究 方法主要有实验研究和数值模拟 两种方法 。 实验研究方法又分为两种 : 一是将实际喷嘴放大若干倍 后加工成透明喷 嘴 , 利用高 速 摄 像 设 备 观 察 透 明 喷 嘴 中 的 空 化 现 象 , 再 根据 比 尺 度 效 应 推 算 实 际 喷 嘴 中 的 空 化 现 [57] [58] 象。Soteriou 等使用 激光 束,研究放大 20 倍的透明喷嘴内部 空化过程。 Suh 等 研 究了 不 同 结 构 尺 寸 的 透 明 喷 嘴 内 部 的 空 化 现 象 及 空化 对 雾 化 的 影 响 。 但是 Arcoumanis [59] 等人 发现 , 实际喷嘴 与 放大后的喷嘴内 部的空化不完全相同 , 导致空化的影响因素很 多, 比尺 度效应不能 完全用于喷嘴空化现象的研究 。 另一类是以实际 尺寸喷嘴为研究 对 [60] 象。Schmidt 等 在薄 钢片上加工出喷射孔的通道 形状,将加工好的薄钢片夹 在两块厚 石英玻璃窗 中间, 用激光做照明源, 高速 摄像机 拍摄孔内的流体流动 等研究了真实大小, [61] Blessing 研究了用丙 烯酸透明材料制作的喷嘴中的空化和雾化过程 。 [6] 数值模拟方法主要有三类: 界面追踪法、 均质平衡流模型 法、 以及两流 体模型 法 。 1 ) 界面追踪法认为 气相 和 液 相 之 间 有 明 确 的交 界 面 , 交 界面上 的 压力 恒 等 于 液 体 的饱和蒸气压 。 给定空泡的形状和位置后 , 通过空泡运动学条件以迭代的方式追踪气液 交界面。 该方法计算量 非常大, 对计算机 内存要求较高。 在众多界面追踪方法中, VO F(Volume of Flui d) 是使用较多的一种, 该方法最早是 1981 年由 Hirt 和Nichols 率先 提出的, 随后不断地发展完善, 在两相流计算中起到了重要作用。Ashraf 利用该方法模 拟了离心式喷嘴内部的流 动过程, 得到了喷嘴出口处的液膜锥角、 流量系数, 与试验吻 合较好;Alhendal 基于Fluent 商业软件模拟了零重力情况下的气泡运动, 得到了较好的 [63] 结果,证明用 Fluent 进 行界面追踪结果是可以接受的 。 2 ) 均 质 平 衡 流 模型 法(单流体模型) ,不 考虑 气 液 两 相 之 间 存在 的相 对 速度滑移 , 将汽液混合物当作密度可变的均匀介质 , 通过求解气相或液相的体积分数来确定空化区 10 长安大学硕士学位论文 域。 该方法简单 , 计算量较小, 但实际过程中气相分布不均匀, 与实际出入较大 。 汪翔 [64] 和苏万华 利用均相平 衡流模型并结合空泡动力学方程, 对柴油喷嘴内部空化过程 及流 动特征的研究 ,数值 模拟的结果和实验 结果对比拟合很好。 3 两 流 体 模 型 法 ( 拟 流 体 模 型 ) , 是 指 将 空 泡 流 近似成 连 续 介 质 , 并 且 空 泡 流 和 液 体流 之间存在相对 速度滑移。 该方法与单流体模型法相 比更接近实际流动, 包含了更多 的流动细节, 其计算量相比界面追踪法 小。Ales Alajbegovi 等人对直 射汽油机涡流式高 压喷油器进行了数值模拟, 采用两相模型, 预测了喷射过程中的气锥, 同时预测了低压 [65] 区的空穴。 汪翔, 苏万华 利用双流体模型对 一单孔柴油喷嘴内部复杂的空化流动进行 数值模拟, 并分别 研究 了 进口压力恒定和 瞬变 两种不同的边界条件 下 的流动过程和 空化 现象。 模型预测的结果与文献中已有的实验结果 大体一致 。 1.6 本文研究 内容 1 、 根据 导 师曹 建 明运用 最 大熵 原 理推 导 出的液 滴 尺寸 分 布函 数 ,使用 FORTRAN Powerstation 4.0 软件, 编写程序, 对空气助力扇形喷嘴在不同的空气压力和水流量的工 况,进行数值计算,并与马尔文测得的实验结果进行对比分析。 2、 利用计算流体力学 CFD 软件 Fluent 对空气助力扇形喷嘴的内部流动和空化现象 进行三维仿真模拟研究。11 第二章 喷 嘴三 维流 场数 值模拟 计算 方法 第 二 章 喷 嘴三维 流场数 值模拟计 算方法 2.1 计算流体动 力学CFD 简介 2.1.1 CFD 仿真软件介 绍 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics ,简称 CFD )做为 一门独 立的学科兴起于 20 世纪 60 年代, 主要是通过计算机对 流体流动、 传热、 传质等 物理 过程 进 行 离 散化 的数值 计算 。CFD 的基本 思 想可 以 归纳 为: 对 空间域和时 间域 上连续的物理场( 如速度场和压强场 ) 进行离散化处理, 用 若干离散点上的 变量集合来替代连续场, 建立离散场 变量之间的代数关系 方程组, 然后求解代数 关系 方程组 得到 场 变 量 的 近 似 值 。 它其实是 在 流 体 力 学 和 数 值 计 算 方 法 的 基 础 上, 建立一系 列的基本控制方程, 对流场进行数值模拟, 通过模拟计算, 我们可 以得到流场任意位置的物理量的发布, 甚至可以得到这些物理量随时间的变化情 况。 CFD 方法 、 理论 分 析方 法 以及实验测量 方法三 种 方 法共 同构 成 了 研究 流 体 动力学 问题的完整体系。 理论 分析方法的优点在于 它是指导实验研究和验证新的 数值计算方法的理论基础, 它的 结果具有普遍性 和指导意义 。 但是, 为了得到理 论解, 它往往要求对计算 模型进行简化, 对于 非线性、 自变量多的复杂流动 情况, 求解过程相当复杂, 并且 很难得到 可靠的 解析解。 实验测 量方法是研究流体问题 最 原 始也 是 最基 本的 方法 , 理论 分 析和 数值 方法 的 基础 ,CFD 方法和 理 论分 析 方法的可靠性都必须直接或间接地得到实验的验证, 因此实验测量方法 在研究流 体 力学方面的不可或缺 。但是,实验往往受到 研究对象的 尺寸大小、环境因素 、 人为因素 、 测量精度 和实验条件等多方面因素 的限制, 而且 还需要投 入大量的人 力、物力和财力 , 并 且 实 验 周 期 长 , 有 时 候 还 无 法 得 到 想 要 的 实 验 结 果 。 然而 CFD 方 法 很 好地 弥补了 理 论分 析 与实 验研 究的 缺陷, 可以 在 计算 机上 进 行一 些 特别的数学计算 , 而且可以再现流动情景 , 比如喷嘴内部的流体流动状态和 液滴 在喷雾场的 雾化碎裂 运动轨迹。 CFD 具有 功 能全 面 、适应 性 强、 应用 范围 广的 优 点 。由 于 大多数 流体 问 题 的控制方程一 般都有若干多的自变量 , 而且多是非线性的 , 有着复杂几何形状 的, 计算域 和复杂 的边界条件,很难通过理论分析得到它的 解析解,只有 CFD 方法 12 长安大学硕士学位论文 才 能 求得 满 意的 数值 解。 此 外,CFD 方法可以 对 任何 的 物理 模型 和实 验 条件 进 行数值模拟 , 很容易模拟特殊尺寸、 高温、 有 毒、 等实验条件, 甚至 一些实际实 验无法达到的理想条件, 省时省钱, 有 很大的灵活性, 能够 给出完整和详细的数 值计算结果。 任 何 一 种方 法都 有 一定的 局 限 性,CFD 方法也不例外 。 它是一种 离散 化 近 似 数值计算方法, 遵循:― 物理上合理, 数 学上适用‖ , 适用于 在计算机上进行计 算的离散的 、 有限数学模型,并且数值计算 结果给不出 任何形式的解析表达式, 只能得到离散点上 有限数量的数值解, 计算结果也存在 一定的误差。在 CFD 模 拟过程中,需要合理的物理模型 、合适的计算模型以及正确的参数设置,否则, 得到的结果可能会不可信, 在大程度上依赖于经验和技巧。 另外, 如果需要大量 的计算,CFD 对计算机 的内存也有很高的要求 。 CFD 方 法 、 理论 分 析法 和 实 验测 量法 都 各有自 己 的 优势 和不 足 ,不能 完 全 被对方所替代。 所以在实际 应用中, 我们要根据自己的需要, 结合三者的优势来 选择合适的 研究方 法。 目前 CFD 软件主要包 括 PHONICS 、 CFX 、 STAR-CD 、 FIDIP 、 FLUENT 等。 目前 FLUENT 软 件 功 能 最 全 面 、 适 用 性 最 广 、 使 用 最 广 泛 。 本 文 就 是 利 用 FLUENT 对内混式空气 助力扇形喷嘴的内部流场进行模拟研究。 CFD 方法 对喷嘴的模拟 计算的意义有以下几点: 简单方便、 速度快、 成本低 ; 有利于喷雾理论方面的 研究; 减少 人力、物力以及财力的成本,缩短 实验研究时 间; 优化喷嘴 结构设计; 可以减少喷嘴的实验次数。 2.1.2 CFD 软件的基本 环节 任何 CFD 软件都包含前处理、求解、后处理 3 个基本环节,对 应 有前处理 器、求解器、后处理器三个 程序模块。 (1)前处理器前处理器 顾名思义就是做一些 前期准备工作。 通过向 CFD 软件中的求解器 的一些 对话框来 输入对应问题的相关数据来 完成的。 在前处理阶段 主要有以下工 作: .定义相应问题的几何计算区 域 .将计算 区域划分若干互不重叠的子区域,形成单元网格 13 第二章 喷 嘴三 维流 场数 值模拟 计算 方法 .针对需要 研究的流体问题,选择相关 的基本控制方程 .定义流体的属性参数 .对计算域 设置边界条件 .针对有关 瞬态问题,还须设置 初始条件 目前,利用 CFD 软件 进行 流体 计算时,需要花费超过 一半以上的时间在 生 成 计算 域 网格 和定义 几何区