湍动雾化射流液雾粒径分布的数值模拟.pdf

中国工程热物理学会 多相流 学术会议论文 编号：066050 湍动雾化射流液雾粒径分布的数值模拟+ 钱丽娟1，熊红兵1，林建忠1,2 1浙江大学流体工程研究所，杭州，310027 2中国计量学院，杭州。310018 Tel：0571 Email．izlin@s卸．z地．edu．cn 摘要对水在空气中湍动雾化射流的气液两相漉场进行了数值模拟。其中，气体流场采用k一占端流 模型进行模拟，给出了载气轴向速度的分布情况．对喷雾粒子的运动采用颗粒轨道法，建立粒子破碎 和碰撞的数值模型，研究了液雾粒径在不同工况下沿轴向的变化趋势。数值模拟结果与实验结果在不 同气液比下进行了比较，两者吻合较好。同时，分析了初始粒径和粒子总数及喷嘴尺寸对液雾粒径变 化趋势豹影响，讨论了有助于粒径均匀分布的条件。 关键词雾化液雾粒径气液两相流数值模拟 1．前言 雾化射流喷涂在工业上有着广泛的应用，如纺织工业中的复贴技术，热喷涂中的前驱 物合成等‘”。其基本过程是将粘胶或液态的前驱物通过喷嘴进行雾化，雾化的颗粒在气 流中飞行并撞击基板，粒子在基板上摊开、粘贴、凝固而形成薄膜。雾化液滴的大小和 分布对于薄膜质量起着重要的作用，粒径大小分布均匀则有利于涂层的均匀性、致密性 和粘贴强度。初次雾化过程与喷嘴特征、气液浓度比、喷射压差等因素密切相关。而多 个粒子的碰撞和破碎导致的二次雾化则直接影响粒子撞击基板前的大小分布。最终的液 滴大小由表面张力、粘性力和气动力决定，在喷射平面上，气动力远大于表面张力，所以 液滴在射出喷嘴后，会经历一系列复杂的碰撞和破碎过程。这一系列的复杂过程将决定 液滴最终尺寸的大小和分布，从而影响到雾化喷涂的质量。遗憾的是，到目前为止，还 没有切实有效的实验方法可阻观测到碰撞和破碎区域内所发生的复杂变化。而采用数值 模拟方法结合一定的雾化颗粒碰撞和破碎模型，。可以研究这个比较复杂的气液两相流场 的运动情况。 在数值模拟领域，对于射流场的湍流描述，k一占两方程模型应用最为广泛。在粒 子运动的模拟上，Aggarwal回顾总结了以往模型的局限性，提出了修正的颗粒运动模型 TAB模型【3】，Rc妇提出了波动破碎模型【4】。在此基础上经过几十年的发展，液滴破碎模 型已涌现处ETAB模型、CAB模型阿等多种形式，本文即采用适用于雾化喷流的CAB +国家科技部重大基础研究前朋研究专项资助项目(2005CCA06900) 515 等人进一步发展和细化了液滴碰撞模型，本文的碰撞模型考虑了液滴碰撞后合 并和反弹两种情况。 本文湍流场的计算采用k一占湍流模型．粒子计算采用拉格朗日方法，建立了受力、 碰撞、破碎三种模型，由此模拟了轴对称三维射流的流动过程，并针对液雾粒径的分布 情况．与实验结果”锄行了比对。吻合较好。在此基础上，又分析了初始粒径、喷口直 径、粒子总数、液滴特性等对粒径沿轴向分布趋势的影响，得到了和实验相符的结论。 2．流体控制方程 在本文的数值模拟中，液滴颗粒的载气为压缩空气。假定载气为理想气体，流动为 低马赫数、湍流。描述载气传质、传热与流动规律的连续方程、动量方程、能量方程的 张量形式分别是嗍： 詈+V·p砷=o (1) 掣+v(删=-v(，弓司“，+‘ (2) _a(pFe)+v．(pP口)：一pv．_一v．g+伊+J(3) 式中Ⅱ是气体的速度，P是气体的平均密度，P是压力，k是湍流的平均动能，口是应力 张量，，p是粒子的受力源项，e是气体内能，g是热流密度矢量，8为湍流的耗散．S为 热量源项。载气携带颗粒从喷射口喷入一般的大气环境中。射流与周围气体的剪切力引 起湍流运动，必须考虑雾化射流的湍流模型，本文采用了最为常用的^