1、书书书第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 05 25基金项目:山东省自然科学基金资助项目(Z2021QE232)作者简介:王保刚(1997 )，男，山东诸城人，硕士研究生，主要从事多相流仿真方面的研究。E-mail:wangbg2022126 com通信联系人:李淑江，男，副教授。E-mail:lishujiang2000126 comDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 001基于 Fluent 外
2、混式气动雾化喷嘴改进与仿真研究*王保刚，李程前，张建峰，王帅，李淑江*，鉴冉冉(青岛科技大学 机电学院，山东 青岛 266000)摘要:为了有效降低喷嘴气体能量的损耗，需要对气动雾化装置整体结构进行雾化速度和压力流场的仿真分析，通过改进局部设计来减少非必要的能量损失，以此来提高气体能量利用率，提升喷嘴雾化性能。为此，对外混式气动雾化装置的内外流场进行了数值研究。首先，对该气动雾化装置内部气相通道进行了数值模拟，找到了原设计中最大能量损失的原因;然后，根据流场的压力和速度分布规律，对壶体与喷嘴连接处的气相通道进行了局部结构改进，分析了装置改进前后内外流场的压力与速度变化情况;最后，通过模拟喷雾过
3、程，对比了不同气压下原喷嘴和改进后的喷嘴内外流场的雾化特性，对喷嘴局部结构改进的合理性与改进后气动雾化装置性能的优越性进行了验证。研究结果表明:通过掏空雾化喷嘴主体和改变雾化喷嘴进气口形状的方式，可以有效改善气相通道的节流情况，减少气体能量的损失，缩短改进后的喷嘴气相通道内部高速气体路径，并且增加喷嘴气相出口附近的流场速度，最大增幅为 11 49%;改进后的喷嘴雾化性能得到了提升，当气压在 0 3 MPa 附近时，其雾化效果最佳。关键词:气动雾化装置;喷嘴雾化性能;雾化速度;压力流场;节流现象;结构改进;气相通道中图分类号:TH138 8;TH122文献标识码:A文章编号:1001 4551(
4、2023)02 0159 10Improvement and simulation of external mixing pneumaticatomizing nozzle based on FluentWANG Bao-gang，LI Cheng-qian，ZHANG Jian-feng，WANG Shuai，LI Shu-jiang，JIAN an-ran(Electromechanical Engineering College，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266000，China)Abstract:In or
5、der to effectively reduce the loss of gas energy of the nozzle，it is necessary to carry out the simulation analysis of theatomization speed and pressure flow field of the overall structure of the pneumatic atomization device，and reduce unnecessary energy loss byimproving the local design，so as to im
6、prove the utilization rate of gas energy and improve the nozzle atomization performance Therefore，anumerical study of the internal and external flow fields of the externally-mixed pneumatic atomization device was carried out Firstly，numerical simulations of the internal gas-phase channel of the devi
7、ce were carried out，and the reasons of the maximum energy loss in theoriginal design were found Then，according to the pressure and velocity distribution of the flow field，the local structure of the gas-phasechannel at the connection between the pot and the nozzle was optimized，and the pressure and v
8、elocity changes of the internal and externalflow field before and after the optimization of the device were analyzed Finally，the atomization characteristics of the internal and externalflow fields of the original nozzle and the optimized nozzle were compared by simulating the spraying process at dif
9、ferent air pressures，and therationality of the nozzle local structure improvement and the superiority of the performance of the improved pneumatic atomization device wereverified The research results show that，hollowing out the atomizing nozzle body and changing the shape of the atomizing nozzle inl
10、et caneffectively improve the throttling of the gas-phase channel and reduce gas energy loss The improved nozzle gas phase channel inside the high-speed gas path is shortened，and the flow field velocity near the nozzle gas-phase outlet increase，the maximum increase is 11 49%Theimproved nozzle atomiz
11、ation performance is improved When the air pressure near 0 3 MPa，the atomization effect is the bestKey words:pneumatic atomizing device;atomization performance of nozzles;atomization speed;pressure flow field;throttling phenomenon;structural improvement;gas channel0引言目前，雾化喷嘴已经在人们的日常生活中得到了广泛应用1-3。例如，
12、在电梯轿厢的消毒防疫以及矿井粉尘的治理等过程中，都有雾化喷嘴的应用。雾化喷嘴的主要功能是将液相工质雾化成微小的雾滴，然后向外界环境扩散。由于液滴雾化后得到的雾滴粒径通常都是微米级，增加了液滴的表面积，提高了与周围环境的传热传质效率。气动雾化喷嘴是一种新型雾化喷嘴，其主要特点是利用气液两相流的相互碰撞与摩擦，来实现液体雾化4 目的。相较于传统的压力雾化喷嘴，气动雾化喷嘴具有雾化效果更好、工作压力调节范围更大、堵塞可能性更小、喷嘴结构更简单、对液体压力要求更低等优点5。在相同的工作参数设定下，喷嘴内部结构的尺寸是影响雾化性能的主要因素。因此，近几年来，国内外研究人员越来越重视采用数值模拟的方法，以
13、此来进行喷嘴内部结构的研究。吴恩启等人6 基于维多辛斯曲线理论，对喷嘴的出口结构尺寸进行了结构优化，开发出了一种新型的渐缩式气动雾化喷嘴，并且采用标准模型模拟了喷嘴雾化过程，结果发现，该结构优化方案能够有效降低喷嘴内部气体压力的损失，使气流与液体之间相对速度增大，雾化更充分。丁江民等人7 研究发现，在喷射高黏度液体时，采用现有的气动雾化喷嘴效率较低，因此，采用最大流量法将原喷嘴的内部流道改为螺旋槽流道，并对喷嘴内部流场进行了两相流仿真模拟，结果发现，改进后的喷嘴液相因流动面积减少而致使流动速度增加，从而改善了喷嘴雾化喷涂性能。周香林等人8开发了一种超声速气动雾化喷嘴，通过高速摄像机对其雾化流场
14、进行了观察和分析，结果发现，其液滴雾化破碎的过程遵循二次雾化破碎原理，雾化流场速度、压力分布规律与采用 Fluent 软件所模拟的结果基本相同，并且在不同参数下的试验结果也与计算机仿真的结果基本吻合，证明了该方法的可靠性。DE L M 等人9采用欧拉方法，研究了空心锥形喷嘴发出的液片雾化过程，描述了喷嘴内的流动和喷嘴外的喷雾液滴特征。SALVADO F J等人10采用先进的内外流耦合模拟技术，研究了柴油机椭圆喷嘴的偏心率对喷雾角度和穿透力的影响。AYDIN O 等人11采用数值模拟方法，研究了不同的气相压力和喷嘴几何形状对气动雾化喷嘴出口处气流速度的影响，结果发现，气相速度与气相压力不成正比，
15、当气相压力为 1 0 MPa 时，得到了最小气相速度为 631 m/s，而在气相压力为 2 7 MPa 时，达到了最大气相速度为 663 m/s;通过改进喷嘴几何尺寸，可以在相同的气体质量流量比下获得最大气相速度，进而改善雾化质量。目前，大多数的模拟研究都是以气动雾化喷嘴自身结构为出发点，对其进行设计与改进，但从气动雾化装置(简称雾化器)的整体性出发，对喷嘴进行结构改进，并探究其雾化性能的研究却鲜见报道。雾化喷嘴是雾化器核心部件之一，而压缩空气和水都是由雾化器的内部流道流向气动雾化喷嘴，因此，气体和液体在喷嘴内的流动状态会受到雾化器整体结构的限制。此外，通过应用激光光学测量系统，笔者确定了影响
16、气动雾化喷嘴液体破碎过程的关键参数，发现对液滴尺寸大小影响最明显的是雾化喷嘴内的平均空气速度。平均空气速度的增加会导致空气动力的增加，从而减小液滴粒径的大小12。所以，为了有效降低喷嘴气体能量的损耗，需要对该装置整体结构进行雾化速度和压力流场仿真分析，通过改进局部设计来减少非必要的能量损失，以此来提高气体能量利用率，提升喷嘴雾化性能。笔者对原喷嘴进行雾化特性实验测试13-15，以验证上述仿真分析模型的有效性;在此基础上，笔者对外混式气动雾化器进行仿真研究，分析该装置存在的问题;进而对原喷嘴进行结构改进，并将其与改进前的喷嘴进行对比。1雾化器结构及工作原理雾化器主要由壶体、气相通道、液相通道、气动雾化喷嘴等组成。气动雾化喷嘴可以分为 3 种类型:(1)外混式;061机电工程第 40 卷(2)内混式;(3)复合式。笔者研究的喷嘴结构形式为外混式气动雾化喷嘴，压缩空气和液体会在喷嘴外部混合，并进行雾化。喷嘴内部的主要结构为喷嘴帽、喷嘴主体、两个对称分布的气相通道以及单个液相通道。雾化器简化三维模型及外混式气动雾化喷嘴液滴射流破碎过程图，如图 1 所示。图 1雾化器三维模型及气动雾化喷嘴液滴射