空氣霧化噴嘴噴霧場的數(shù)值模擬

空氣霧化噴嘴噴霧場的數(shù)值模擬

燃料噴嘴的乳化質(zhì)量對燃燒過程的質(zhì)量起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的噴嘴設(shè)計主要依賴實驗以及經(jīng)驗公式,受測量精度、模型尺寸、流場擾動的限制而且費用高、周期長。利用CFD來研究噴嘴的噴霧性能不但能夠克服實驗中的弱點,而且可以使各影響因素清晰可見,為燃油鍋爐的設(shè)計改造及運行提供有力的參考依據(jù),尤其在燃燒器技術(shù)方案論證及優(yōu)化設(shè)計中起到重要的作用。本文準備利用Fluent軟件對Y型氣流式霧化噴嘴的噴霧性能進行數(shù)值模擬,在這個基礎(chǔ)上分析噴嘴結(jié)構(gòu)對噴霧效果的影響以及噴嘴霧化液滴粒徑的分布狀況。希望結(jié)論可以對燃油鍋爐燃燒器的改進、設(shè)計起到有益的指導(dǎo)作用。1離散相噴霧模擬燃油噴嘴的噴霧是一個復(fù)雜的氣液兩相流問題。本文采用標準的κ-ε湍流模型以及組分輸運模型,模擬噴嘴中發(fā)生的連續(xù)相—氣相的流動,并采用離散相噴霧模型模擬離散相—液相的噴霧過程。1.1e-so(1)湍流三大耗散率模型湍動能方程ρdkdt=?[μ+μtσk??k]+Gk+Gb?ρε?YM(1)ρdkdt=?[μ+μtσk??k]+Gk+Gb-ρε-YΜ(1)式中ρ——流體密度,kg/m3;μ——流體動力粘度,kg/(m·s);σk——湍動能的湍流普朗特數(shù),取1.0;Gk——平均速度梯度引起的湍動能;Gb——浮力影響引起的湍動能;YM——可壓速湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。湍動能耗散率ε方程:ρdεdt=?[(μ+μtσε)??ε]+C1εκ?(Gk+C2Gb)?C3ρε2κ(2)μt=ρCμκ2ε(3)ρdεdt=?[(μ+μtσε)??ε]+C1εκ?(Gk+C2Gb)-C3ρε2κ(2)μt=ρCμκ2ε(3)式中σ?——湍動能耗散率的普朗特數(shù),取1.3;C1,C2,Cμ,C3為經(jīng)驗常數(shù),取值分別為1.44,1.92,0.09,1.0。(2)tv安端的質(zhì)量分數(shù)??t(ρYi)+??(ρv?Yi)=???Ji+Ri+Si(4)??t(ρYi)+??(ρv?Yi)=-??Ji+Ri+Si(4)式中Yi——第i組分的質(zhì)量分數(shù);Si——第i組分自定義源項;Ji——第i組分濃度梯度引起的擴散通量;Ri——第i組分化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生率。1.2液體介質(zhì)霧化噴霧器中的液體介質(zhì)的運動采用噴霧模型(wave模型)描述:λa=9.02(1+0.45Oh0.5)(1+0.4Ta0.7)(1+0.87We1.67)0.6(5)λa=9.02(1+0.45Οh0.5)(1+0.4Τa0.7)(1+0.87We1.67)0.6(5)式中λ——離散過程中產(chǎn)生的波長,m;We——韋伯?dāng)?shù);Ta——泰勒數(shù);Oh——昂賽格數(shù)。霧化后的液滴半徑r可由下式計算:r=B0λ(6)r=B0λ(6)式中B0——模型常數(shù),取0.61。噴霧過程中液滴半徑的變化率為:dadt=?(a?r)τ,r≤a(7)dadt=-(a-r)τ,r≤a(7)式中a——霧化過程中的液滴半徑,m。在液體介質(zhì)霧化的過程中液滴破碎時間τ為:τ=3.726B1aλΩ(8)τ=3.726B1aλΩ(8)式中B1——破碎時間常數(shù),取30;Ω——波長增長率。2噴嘴幾何結(jié)構(gòu)的計算該噴嘴結(jié)構(gòu)比較簡單,由油孔、氣孔及混合孔組成。壓縮空氣經(jīng)過氣孔與來自液體通道的流體在混合孔內(nèi)混合后,從噴出口噴出并膨脹霧化。模擬采用3維坐標方式,為了能夠精確而又快速地計算出噴嘴的噴霧特性,所以選擇混合孔部分以及噴霧區(qū)作為計算區(qū)域;又根據(jù)流動的粘性動力特性可以通過雷諾數(shù)相似轉(zhuǎn)換的特點,用壓縮空氣和水作為工質(zhì)。噴嘴幾何結(jié)構(gòu)如圖1,計算區(qū)域網(wǎng)格圖如圖2。在噴嘴的運行計算中,壓縮空氣采用壓力邊界條件,水采用流量邊界條件,在氣相壓力0.14～0.24MPa范圍內(nèi),分別對水流量在0.018,0.015和0.0125kg/s的情況進行模擬計算。壁面處采用無滑移邊界條件,離散相的時間步長采用50μs。3噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸通過對4種尺寸的噴嘴進行模擬計算,討論了噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸對霧化效果的影響。另外,也對1#噴嘴(氣孔是2.2mm)距離噴嘴出口下游200mm處的截面粒徑分布進行了分析。3.1氣孔直徑、霧化粒徑的影響模擬計算得到的噴霧平均粒徑如表1所示。從模擬數(shù)據(jù)可以看出,噴嘴結(jié)構(gòu)是影響噴霧質(zhì)量的一個很重要因素。例如氣孔直徑增大、霧化粒徑隨之增大,這是因為同樣的氣耗,氣孔直徑增大導(dǎo)致噴嘴的初始氣壓和水壓力降低,引起霧化效果變差;而水孔直徑增大會使霧化粒徑減小,這是因為水孔直徑的減小,導(dǎo)致噴嘴出口環(huán)狀流尺寸變大、氣液相對速度增大,霧化效果較好。3.2噴嘴截面的粒徑分布1#噴嘴霧化后距離噴嘴出口下游200mm處截面的液滴粒徑分布的模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,噴嘴下游截面的粒徑分布基本呈軸對稱的粒徑分布,沿著徑向方向粒徑呈現(xiàn)不斷增大的趨勢,這是因為噴嘴出流以后,靠近軸線的液滴發(fā)生了二次霧化而距離軸線較遠的液滴因為跟空氣的相對速度小很少發(fā)生二次霧化造成的。3.3液滴粒徑在該截面的百分數(shù)分布落在1#噴嘴出口下游200mm處截面的液滴粒徑在該截面的百分數(shù)分布如圖4所示?？梢钥闯?該截面上霧化粒徑大多分布在50～220μm之間,基本能夠滿足霧化要求。4相