特種加工_低壓旋流噴嘴

1、低壓旋流噴嘴流場(chǎng)特性的數(shù)值仿真分析？導(dǎo)師：？主要內(nèi)容z背景意義z數(shù)學(xué)模型與求解方法z模擬結(jié)果與分析z結(jié)論 背景意義z 噴嘴，也稱噴頭，是很多噴淋、噴霧、噴油、噴砂、噴涂等設(shè)備里很關(guān)鍵的一個(gè)部分，起著重要的作用。利用噴嘴進(jìn)行液體的霧化是一種常見(jiàn)的技術(shù)，由此生產(chǎn)的家用噴霧器可用于噴灑各種殺蟲(chóng)劑、香水、除臭劑等水劑、油劑液體，在家庭、賓館及小型公共場(chǎng)所用于蚊蠅消滅、環(huán)境消毒、濕度調(diào)節(jié)、花卉噴淋、食用菌噴濕等用途。殺蟲(chóng)劑香水除臭背景意義z 噴嘴在行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，材質(zhì)從不銹鋼、塑料到碳化硅、聚四氟乙稀、PP（工程塑料）、鋁合金和鎢鋼等，應(yīng)用范圍一般常用在汽車、電鍍、表面處理、高壓清洗、除塵、降溫、

2、脫硫、加濕、攪拌、園林等各個(gè)行業(yè)。滅火噴灑農(nóng)藥噴漆背景意義z 其中，壓力旋流霧化噴嘴以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、霧化性能好、成本低的特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，在家用噴霧罐領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于高壓灌裝的結(jié)構(gòu)存在易爆炸等安全隱患，不便長(zhǎng)途運(yùn)輸與攜帶，使得人們?cè)絹?lái)越青睞低壓噴嘴。z 在施藥方面，由于噴嘴結(jié)構(gòu)不適或參數(shù)不優(yōu)化，噴霧產(chǎn)生較多大粒子，在距噴嘴近處降落地面，能擊中目標(biāo)物的粒子很少，影響殺蟲(chóng)效果，而且還造成藥劑浪費(fèi)和環(huán)境污染。背景意義z 所以，研究低壓下霧化效果好的噴霧噴嘴很有必要，低壓家用噴霧器由于其應(yīng)用目的的不同，操作過(guò)程的差異, 結(jié)構(gòu)存在著較大的差別，但均基于流體噴射原理 。在低壓家用噴霧器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)過(guò)

3、程中，為了進(jìn)一步研究低壓霧化噴嘴的噴霧特性，得到更好的霧化效果，必須對(duì)霧化噴嘴上游流場(chǎng)進(jìn)行深入地研究。z 由于本研究所涉及的因素水平組合過(guò)多，直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，成本高，周期長(zhǎng)，存在明顯的局限性。 隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，20 世紀(jì)90 年代之后一些學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)旋流式噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行研究。但在低壓家用噴霧器領(lǐng)域，這方面的研究尚少。故筆者采用數(shù)值仿真的方法，探究其中的規(guī)律，找出最佳的組合參數(shù)，以指導(dǎo)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)學(xué)模型與求解方法z 該文在家用手扣式噴霧器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了圖中的旋流噴嘴。并簡(jiǎn)化噴嘴模型，液體經(jīng)圓形進(jìn)液通道通過(guò)噴嘴入口分流進(jìn)入螺旋槽中，經(jīng)螺旋槽旋轉(zhuǎn)后，沿切線方向

4、流入旋流室產(chǎn)生高速旋流，經(jīng)噴孔噴出形成旋轉(zhuǎn)霧化霧炬。數(shù)學(xué)模型與求解方法z 參數(shù)通徑D為6 mm，螺旋體由3個(gè)沿圓周成120角均布的凹槽組成; 噴孔的直徑d為0.5mm，長(zhǎng)度l為0.5mm。通過(guò)改變旋流噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如螺旋體的長(zhǎng)度L、入口槽道截面積A、螺旋升角、螺旋槽形狀、旋流室內(nèi)錐角等參數(shù)，采用軟件Fluent 6.2.16 對(duì)噴嘴霧化的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，確定旋流噴嘴霧化的流場(chǎng)特性規(guī)律，據(jù)此對(duì)霧化噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)學(xué)模型與求解方法z 模型假設(shè)：旋流噴嘴噴霧可以認(rèn)為噴出的液滴(離散相)非常稀薄，因而顆粒-顆粒子間的相互作用、顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響非常小而可以不考慮。

5、同時(shí)對(duì)噴嘴流場(chǎng)作如下假設(shè): 流場(chǎng)為穩(wěn)定的等溫流場(chǎng)，不考慮能量交換，介質(zhì)為常溫不可壓縮液體(水)；噴嘴入口和出口的勢(shì)能差很小，可以忽略不計(jì)；忽略質(zhì)量力的影響。z 邊界條件：邊界條件設(shè)置如下：采用壓力入口，總壓為0.4MPa，湍流強(qiáng)度為6%，水力直徑為6mm；出口為壓力出口，表壓為0.1MPa，回流體積分?jǐn)?shù)F=1(即回流均為空氣)，回流湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為0.5mm；壁面處采用無(wú)滑移條件，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。數(shù)學(xué)模型與求解方法z 針對(duì)旋流霧化噴嘴內(nèi)流場(chǎng)幾何模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，按噴嘴的結(jié)構(gòu)采用分塊非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在旋流室及噴孔處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，整個(gè)模型劃分網(wǎng)格單元數(shù)155 770 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)

6、124 248 個(gè)，劃分后的網(wǎng)格如圖所示。模擬結(jié)果與分析z 螺旋體長(zhǎng)度L對(duì)霧化特性的影響 取同樣的壓力入口和壓力出口值，保持其他參數(shù)值不變，改變螺旋體長(zhǎng)度。分別取螺旋體長(zhǎng)度L為2mm，3mm，4mm，5mm，6mm，通過(guò)模擬仿真，獲得不同螺旋體長(zhǎng)度下旋流噴嘴的出口速度。不同螺旋體長(zhǎng)度噴嘴出口軸向速度不同螺旋體長(zhǎng)度噴嘴出口切向速度模擬結(jié)果與分析z 由以上兩圖知：螺旋體長(zhǎng)度對(duì)噴嘴出口軸向速度的影響不大，其中螺旋體長(zhǎng)度L=4mm時(shí)，旋流噴嘴的出口軸向速度和切向速度較高于其他長(zhǎng)度時(shí)的速度。由下圖知：螺旋體 長(zhǎng)度對(duì)噴霧霧化角度影響不大，且同樣L=4時(shí)對(duì)應(yīng)的霧化角最大。因此L=4是比較適合的取值。螺旋體長(zhǎng)

7、度對(duì)霧化角的影響模擬結(jié)果與分析z 螺旋槽入口截面積A對(duì)霧化特性的影響 改變圓弧型螺旋槽直徑，分別取d=1.2mm，1.4mm，1.6mm，1.8mm和2.4mm。通過(guò)模擬仿真，獲得不同圓弧型螺旋槽直徑所對(duì)應(yīng)的入口截面積情況下旋流噴嘴的出口速度。 不同圓弧槽直徑噴嘴出口軸向速度 不同圓弧槽直徑噴嘴出口切向速度模擬結(jié)果與分析z 由上兩圖知：隨著圓弧槽直徑的增大，噴嘴出口軸向速度逐漸增大。從1.2mm到1.6mm，噴嘴出口切向速度逐漸增大，而1.8mm和2.4mm時(shí)幾乎為0。z 由下圖知：圓弧槽直徑越小，霧化角越大，槽道壓力損失也總體呈增大的趨勢(shì)，但在圓弧槽直徑為1.6mm時(shí)，壓力損失出現(xiàn)了減小的趨

8、勢(shì)。z 綜合考慮且取 D=1.6mm。圓弧槽直徑對(duì)霧化角及壓力損失的影響模擬結(jié)果與分析z 螺旋升角對(duì)霧化特性的影響 改變螺旋槽的螺旋升角，分別取20.0，23.0 ，32.5 ，40.0 ，進(jìn)行仿真。不同螺旋升角噴嘴出口軸向速度不同螺旋升角噴嘴出口切向速度模擬結(jié)果與分析z 由上圖知：螺旋升角對(duì)噴嘴出口軸向速度分布影響較大，隨著螺旋升角的減小，噴嘴出口軸向速度減小。而螺旋升角為32.5時(shí)的噴嘴出口切向速度最大。理論上，出口切向速度越大，霧化效果越好，且霧化角也越大。z 由下圖知：螺旋升角越小，噴嘴霧化角越大，且壓力損失更嚴(yán)重?？梢?jiàn)，螺旋升角存在一個(gè)合適值，取=32.5時(shí)，能夠達(dá)到一個(gè)較好的霧化角

9、，且壓力損失較小。螺旋升角對(duì)霧化角及壓力損失的影響模擬結(jié)果與分析z 螺旋槽形狀對(duì)霧化特性的影響改變螺旋槽形狀，分別取螺旋槽形狀為矩形，梯形和圓弧槽，但保持各個(gè)形狀的入口總截面積A不變，進(jìn)行模擬仿真。 由右圖知：矩形槽和梯形槽的 軸向速度大體相當(dāng)，且明顯大于圓弧槽。不同螺旋槽形狀噴嘴出口軸向速度模擬結(jié)果與分析z 螺旋槽形狀對(duì)霧化特性的影響z 由右圖知：矩形槽與梯形槽的出口旋流速度幾乎為0，而圓弧槽的出口旋流明顯大于二者。z 綜合上圖和右圖：圓弧槽流道明顯優(yōu)于矩形槽和梯形槽 流道。不同螺旋槽形狀噴嘴出口切向速度模擬結(jié)果與分析z 不同內(nèi)錐角對(duì)霧化特性的影響z 同樣改變旋流室內(nèi)錐角角度，分別取旋流室內(nèi)

10、錐角為90、110、120和130，進(jìn)行仿真。z 由右圖知：旋流室內(nèi)錐角為90和110時(shí)的出口軸向速度相對(duì)較大，且兩者大體相當(dāng)。內(nèi)錐角為120時(shí)噴嘴出口軸向速度較為平坦。 不同旋流室內(nèi)錐角噴嘴出口軸向速度模擬結(jié)果與分析z 不同內(nèi)錐角對(duì)霧化特性的影響z 由右圖知：旋流室內(nèi)錐角為120時(shí)噴嘴切向速度最大。而角度為90和110時(shí)噴嘴切向速度幾乎為0。這說(shuō)明小角度的旋流室在整流的同時(shí)也降低了噴嘴的出口切向速度，而切向速度小不利于霧化。z 綜合起來(lái)，旋流室內(nèi)錐角以120為佳。不同旋流室內(nèi)錐角噴嘴出口切向速度結(jié)論z 1) 對(duì)于螺旋旋流噴嘴，螺旋體長(zhǎng)度對(duì)旋流噴嘴霧化角的影響不大。z 2) 螺旋槽入口截面積、螺旋升角、螺旋槽形狀及旋流室內(nèi)錐角的結(jié)構(gòu)和尺寸都會(huì)對(duì)噴嘴出口速度及霧化角產(chǎn)生較大的影響。其中：螺旋低壓旋流噴嘴的螺旋槽入口截面積、旋流室內(nèi)錐角存在一個(gè)合理的范圍，使得