Structure Optimization Design of Centrifugal Atomizer
王阳 王萌
北京航天石化技术装备工程有限公司 北京市大兴区 102600
摘要：针对给定设计条件下的离心式雾化喷嘴进行了结构优化设计，分别对比分析了螺旋槽数、螺旋槽截面、整流锥形状、出口直径等几何参数对介质出口特性的影响。结果表明，对于不同结构的雾化喷嘴，流通面积等比例增大或螺旋槽头数增加时，流阻增加导致出口流速增大。
关键词：离心式喷嘴 仿真模拟 结构优化
1 概述
喷嘴广泛应用在液体、气液、液固、气固等介质的雾化喷射中，并被成功应用于工业清洗、断面切割、石油开采、蒸汽冷却、喷涂、燃烧等领域[1-5]。喷嘴按其形状可分为圆柱形、扇形、异形等多种结构。以圆柱形水射流离心式雾化喷嘴为例，液态水在喷嘴入口处形成螺旋状流动状态，到达喷嘴出口前已形成低压涡流区，在喷嘴出口处高速射流产生闪蒸、空化等现象，实现液态水的雾化效果。
本文将针对给定设计条件下的离心式雾化喷嘴进行结构设计，并通过数值计算的方式分别对比分析螺旋槽数、螺旋槽截面形状、整流锥形状、出口直径等几何参数对雾化介质的影响。
2结构设计
离心式雾化喷嘴主要有两部分组成，离心器和离心室。其中，离心器头部有一整流锥。离心式雾化喷嘴结构及关键尺寸如图1所示。
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图1离心式雾化喷嘴结构及关键尺寸示意图
设定离心式喷嘴额定流量系数Cv为0.3和0.42，针对螺旋槽数、螺旋槽截面、整流锥形状和流量系数设计了5组不同结构形式，如表1所示。
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3仿真设置
为了研究几何结构对介质出口特性的影响，针对A~E 五种结构，设置边界条件为入口压力为0.5MPaG，出口压力为0MPaG，环境常压，液态水温度20℃、密度1000kg/m3。
为了研究压差对介质出口特性的影响，选取结构A，设置分组为A1、A2、A3、A4，给定不同的入口压力分别为0.5 MPaG、1.0 MPaG、1.5 MPaG、2.0 MPaG，出口压力均为0MPa G，环境常压，液态水温度20℃、密度1000kg/m3。
采用三维流体模型，划分网格数如下表3所示。
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结合液体在离心式喷嘴内部的实际流动情况，在Fluent 求解器中选择基于压力的瞬态流动，重力按9.8m/s2；在模型设置中选择多相流模型中的mixture模型，湍流模型选择k-epsilon ( 2 eqn) 中的RNG k- t模型，对于喷嘴内壁选用无滑移条件；水为第一相，空气为第二相，进口第二相的体积分数设为0。
方程的离散化与求解选用PISO算法，压力相选用Body Force Weighted 方式离散，体积分数方程选用Compressive 格式进行离散，湍流动能方程和湍流耗散率方程都选用First Order Upwind 格式离散，动量项选用Second Order Upwind 格式离散，变梯度插值法选用Least Squares Cell Based。
3 仿真结果分析
流量系数的验证分析
分别提取仿真计算结果中五种不同喷嘴结构的出口流量系数，并与设计流量系数进行对比，如图2所示。可知，仿真计算得到的流量系数Cv与理论设计的需求流量系数相差不大，从数值来看，最大误差约为3%，可以认为理论设计与仿真计算结果是相符的。
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图2 不同喷嘴结构的流量系数对比
不同几何参数下的数值计算结果
选取经过喷嘴中心的横截面为观察面，不同喷嘴结构的流速、压力、迹线云图分别如图3~图6所示。
结合图3~图6，对比A和C可知，当出口面积与流量系数等比例增大时，流速约增加14.5%。说明几何面积增大时，液相介质实际有效流通面积并非等比例增大，而是与中心涡流区直径有关。对比B和C可知，当几何流通面积相等时，螺旋槽头数增加，出口平均流速约增加1%，流阻有所增加。对比A和E可知，相比于梯形截面，等截面积圆弧截面，出口平均流速约增加1.1%，流阻有所增加。对比A和D可知，整流锥的存在使出口平均流速增加约5.6%，流阻有所增加。
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计算结果分析
入口质量和出口平均流速如图7和图8所示。对比图3、图4以及图7、图8可知，出口直段长度增加时，虽然入口质量流量增加了1%~2%，但是出口平均流速却降低了7%~8%。原因是该结构出现了阻塞流，在靠近整流锥的直管段附件存在气包，当直管段过短时，气包的存在导致有效过流面积减少，从而平均流速增高。当直管段加长时，质量流量不变，出口有效过流面积增加，所以平均流速降低。
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不同压差下的雾化喷嘴出口平均速度如图9所示。根据计算结果，雾化喷嘴压差与出口平均流速呈正相关性，进一步分析发现压差正比于出口流速的平方，说明本文中所采用的边界条件即压差大于0.5MPa时，雾化喷嘴出口涡流区几乎不变。
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图9不同压差对出口平均流速的影响
4 结语
1、对于不同结构的雾化喷嘴，流通面积等比例增大或螺旋槽头数增加时，流阻增加导致出口流速增大；不同的螺旋槽流通截面形状流阻有所差异，本文所选择的梯形结构比圆弧结构流阻小。
2、对于同一结构，当直管段过短时，气包的存在导致有效过流面积减少，从而平均流速增高。当直管段加长时，质量流量不变，出口有效过流面积增加，所以平均流速降低。
3、雾化喷嘴压差与出口平均流速呈正相关性，进一步分析发现压差正比于出口流速的平方，且压差大于0.5MPa时，雾化喷嘴出口涡流区几乎不变。
参考文献
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通信作者：王阳（1988-），工程师.从事阀门及相关领域的研究与设计.