渐扩切向槽式低压旋流喷嘴流场数值模拟

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第５期　２００２年９月　工程热物理学报　ＶｏＩ．２３．ＮＯ．５　Ｓｅｐ．，２００２　ＪｏＵＲＮＡＬ　ｏＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＴＨＥＲＭｏＰＨＹＳＩＣＳ　渐扩切向槽式低压旋流喷嘴流场数值模拟　冉景煜　张　力　辛明道　潘良明　伍成波　（重庆大学工程热物理研究所，　重庆４０００４４）　摘要　提出有渐扩切向槽式旋流雾化喷嘴的ｊ维流动数学模型，并采用ｋ—ｅ／ＲＮＧ模型，应用ＳＩＭＰＬＥ方法数值模　拟了在切向槽不同渐扩角度０时喷嘴内流场特性。结果表明：渐扩切向槽偏转角０对其流场特性影响较大，偏转角０为　负值时，喷嘴出口处回流较大，０为较大的正值，喷嘴内流体流动越易形成实心的锥体，但其能量损失增加较大，当偏转　角０＝５．８。可实现喷嘴出口处无回流，且流动损失较小，雾化角也比较大。　关键词渐扩切向槽；旋流雾化喷嘴；数值研究　中图分类号：ＴＫ０５　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５３—２３１Ｘ（２００２）０５—０５８６－０３　ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ　ＳＴＵＤＹ　ｏＮ　ＦＬｏＷ　ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ　ＡＢｏＵＴ　ＲｏＴＡＲＹ　ＡＴｏＭＩＺＥＤ　ＮｏＺＺＬＥ　ＷＩＴＨ　ＭＩＣＲｏ　ＥＸＰＡＮＤＥＤ　ＴＡＮＧＥＮＴ　ＣＨＡＮＮＥＬ觚’ＬｏＷ　ＰＲＥＳＳＵＲＥ　ＲＡＮ　Ｊｉｎｇ—Ｙｕ　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ　ＸＩＮ　Ｍｉｎｇ—Ｄａｏ　ＰＡＮ　Ｌｉａｎｇ・Ｍｉｎｇ　ＷＵ　Ｃｈｅｎｇ—Ｂｏ　（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｚｅｓ，ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ｍｉｃｒｏ－ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｔａｎｇｅｎｔ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｓｗｉｒｌｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｎｅｔ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ｏｆ　ｃｒｏｓｓ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＳＩＭＰＬＥ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｔｈｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ａｔｏｍｉｚｅｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｎｏｚｚｌｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ＳｈＯＷｎ：ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　０　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ—ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｔａｎｇｅｎｔ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｉｆ　＜０，ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　０＞０，ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｃｏｎｅ　ｉｎ　ｎｏｚｚｌｅ　ａｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｅａｓｉｌｙ，ｂｕｔ　ｉｔｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｏｓｓ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ．ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｐ０＝０．３　ＭＰａ，　，０＝０，　，０＝０，Ｕｚ０＝一０．２　ｍ／ｓ，ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ　，ａｔ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｓｎ’ｔ　ｅｘａｃｔｌｙ　ｆｏｒｍｅｄ　ｗｉｔｈ　０＝５．８。．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｍｉｃｒｏ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｔａｎｇｅｎｔ　ｃｈａｎｎｅｌ；ｒｏｔａｔｉｎｇ　ａｔｏｍｉｚｅｄ　ｎｏｚｚｌｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　１前　士　口　随着科学技术的发展，雾化喷嘴在能源、动力、　化工、环保等领域得到了广泛地应用。这些喷嘴大　渐扩切向槽式旋流雾化喷嘴的研究设计和应用。　２流场特性数学模型建立　２．１控制方程　多是依据机械雾化原理设计的旋流雾化喷嘴【¨，在　低压下的流场特性与雾化性能尚需要进一步研究，　以获得优化的结构特性和运行参数，才能用于改善　液体燃料燃烧、烟气除尘与脱硫效率、以及提高加　湿成型均匀性等。本文提出有渐扩切向槽的低压旋　设想流场为稳定的等温流场，介质为常温不可　压缩液体；同时考虑质量力，采用如图１所示（图中　示出０为切向槽正向偏转角，负偏转角方向相反）的　直角坐标系，则流体在渐扩切向槽及进液分流管、　流雾化喷嘴（如图１所示）的三维流动数学模型，采　用ＳＩＭＰＬＥ方法进行数值模拟，探讨低压下这种喷　嘴在不同渐扩角度０时的流场和雾化特性，以便于　收稿日期：２００１—１１ｏ２２；修订日期：２００２—０６．２７　均压环及其相连直管段、旋流室稳态不可压时均连　续性方程及动量方程张量形式描述为：　Ｏ（ｐｕｊ）　Ｏｘｊ　０　基金项目：贵州省科委资助项目（Ｎｏ．１９９８－１７）　作者简介：冉景煜（１９６８－），男，重庆酉阳人，副教授，博士研究生，主要从事能源动力系统及环保等方面的研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ５期　冉景煜等：渐扩切向槽式低压旋流喷嘴流场数值模拟　＝Ｐ＾一考＋南［　（筹＋筹）一　式中，　Ｕｉ，ｕｊ＝（Ｕｌ，Ｕ２，Ｕ３）为各时均速度分量；　Ｘｉ＝（Ｘｌ，Ｘ２，Ｘ３）代表各坐标分量，Ｐ为流体的时　均压力；　是流体的动力粘度，Ｐ是流体密度；　ｕｉｕ—ｊ为需由湍流模型确定的未知雷诺应力分量。　进水分流管　雾化片　压紧螺帽　渐扩切向槽式旋流片　外扩张雾化片　图１低压旋流雾化喷嘴示意图　２．２　一ｅ／ＲＮＧ模型　南一￣／ＲＮＧ模型是由Ｙｏｋｈｏｔ和Ｏｒｓｚａｇ等人将重　整化群理论用于研究湍流问题而提出，是标准ｋ—　模型的一种改进形式。在高雷诺数时ｋ一￣／ＲＮＧ模　型与标准ｋ—　模型具有相同的形式，但　８ｔ　９＋　茁　９＝去（茁　＼　差ｏ　）一　ｒＯｘ）　’　ａ亡　。＋　　ａ　ａ＝　（　￡等去）　／。Ｏｘ　＋　　Ｇ。‘一　一Ｃｅ２Ｐ￣】　在方程中出现一个新的附加生成项，当流动快速畸　变时这一项显著增大，在一定程度上改进了对复杂　湍流问题的模拟结果。其具体形式如下：　式中的湍能生成项及平均应变率张量与标准　ｋ—　模型有所差别，为：　Ｇ　ｉｊ＂　１（　ＯＵ￣　＋　）　且有　。＝１．４２一　，叩＝　，ｓ＝　通常Ｃｕ＝０．０８５，　２＝１．６８，　＝０．７１９，　＝０．７１９，　＝０．０１２，７７０＝４．３８。　２．３边界条件　设分流管入口压力为Ｐｏ＝０．３　ＭＰａ，其　．ｏ＝０　ｍ／ｓ，　，０＝０　ｍ／ｓ，　，０＝一０．２　ｍ／ｓ；其湍动能和湍　动能耗散按文献【１】进行近似计算，在出口边界，沿　流动方向各参数的导数为零；在壁面上采用无穿透　无滑移条件，取湍动能和湍动能耗散梯度为零。　３数值求解方法　３．１网格划分　考虑渐扩切向槽式低压喷嘴结构及流动特性，　采用分段进行交错网格划分，局部段位（如切向槽、　均压环、分流嘴等）加密网格，然后进行段与段之间　融合处理，这样，整个模型划分网格单元数２６４５３２　个，节点数２８２８３７个，其网格划分如图２所示。　图２计算网格划分　３．２方程离散化及求解　采用控制容积法对各方程进行离散化，其中对　流项、扩散项采用上风差分，源项取中心差分格式进　行线性化处理。求解方法采用ＳＩＭＰＬＥ算法进行，　参见文献【２】。　４研究结果及分析　在相同边界条件下，改变渐扩切向槽的偏转角，　得出了不同偏转角下的喷嘴流场特性，图３示出了　偏转角　＝一８．４３。时喷嘴内流场特性；图４示出了　偏转角　＝８．４３。时中心截面速度分布。从图中可　知，存在偏转角时，喷嘴出口速度明显增加，并且，　在偏转角增加到一定值时速度会降低，即当偏转角　在增大的过程中，速度先升高后又逐渐降低，表明　有一个最佳范围值。从图中还可得出其雾化角存在　相同的变化趋势（雾化角在７０。一１００。范围之间），　且喷口中心存在回流。　图５表明不同偏转角时喷口截面中心单元　向　速度变化情况（　为　向速度；　为与喷出口中心　的距离）。从图中可知，偏转角为负值时在喷口中心　向速度存在较大的正向速度，表明回流最大，当　维普资讯 http://www.cqvip.com 工程热物理学报　２３卷　０＝８．４３。时，ｚ向速度为负值，表明没有回流，在　０从０。逐渐增大过程中，ｚ向速度逐渐由正值转为　负值，回流逐渐消失。　图６示出了不同偏转角时喷嘴出口中心单元ｚ　向速度变化情况（　为ｚ向速度；０为偏转角）。显　然，随着偏转角０从负值逐渐增大，喷嘴出口截面　中心单元ｚ向速度逐渐由正值变为负值，表明回流　逐渐减弱，且在０＝５．８。左右时，喷嘴出口截面中　心单元ｚ向速度为零，表明流体回流刚好消失，从　而可使喷嘴在雾化流动过程中形成实心锥体。　图７示出了不同偏转角时近壁面单元速度分布　情况，从图中可知，在０＝０。时速度最小，０＝４．２４。　最大，表明，在没有偏转角时喷嘴内流动损失最大，　偏转角为较大正值时，流动损失增加，这又表明偏　转角存在一个最佳的范围。　图８表示不同偏转角时中心单元速度分布情　况，在Ｚ＝３　ｍｍ时存在一个最大值，因为在Ｚ＝３　ｍｍ时流道由锥体变化为园柱，且通流面积大大减　小而造成，在Ｚ＝０—３　ｍｍ范围内，偏转角为零时　速度最大，０＝４．２４。最小，但在Ｚ＝０—３　ｍｍ情　况相反，从而可知，喷口直径与旋流室的直径相差　不能太大，存在一个合适范围值。　图３　０：－８．４３。喷嘴速度分布矢量图　图４　０：８．４３。喷嘴头部中心截面速度分布矢量图　根据以上流场数值模拟结果及分析可知，在相　同的边界条件下，渐扩切向槽偏转角对其流动特性　影响较大，偏转角０不能为负值，因其回流较大，０　也不能为较大的正值，虽然０越大，越易形成实心　的锥体，但其能量损失增加较大，在喷口出回流刚好　完全消失时，即０＝５．８。时可实现喷嘴回流消失，　且流动损失较小，雾化角也比较大（图７、８中Ｖ为　合成速度，　为ｚ向距喷出口截面距离）。　０　５　０ｌ３５　０．０　０．２５　１１１１　１　１１　９　８　６　５　４　２１　Ｏ　一０．５　ｇ　０．１５　１．０　０．０５　卯端嬲　　＂　螺　∞∞　瑚　９　１．５　－０．０５　—２　０　０．１５　图５不同０喷口截面中心　图６不同０时喷嘴出口中心　单元Ｚ向速度　单元ｚ向速度　ｌ５　ｌ３　１１　ｇ　＼９　７　５　图７不同０喷嘴近壁面　图８不同０喷嘴中心　单元速度变化　单元速度变化　５结　论　采用ｋ一￣／ＲＮＧ模型数值模拟了有渐扩切向槽　偏转角的旋流喷嘴的流动场特性，并对不同０的喷　嘴流场特性进行分析比较，表明：　渐扩切向槽的偏转角０对其流动特性影响较　大，０为负值时，喷嘴出ＶＩ处回流较大，０为较　大的正值，喷嘴内流体流动越易形成实心的锥体，　但其能量损失增加较大。在低压下（ｐ０＝０．３　ＭＰａ）　及　，０＝－０．２　ｍ／ｓ时，当０＝５．８。可实现喷嘴出口　处无回流，且流动损失较小，雾化角可达８０。。　参　考　文　献　［１】Ｚｈａｎｇ　Ｌｉ，Ｒａｎ　Ｊｉｎｇｙｕ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏａ　ｆｏｒ　Ｆｌｏｗ　Ｃｈａｒ—　ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｒｏｔａｒｙ　Ａｔｏｍｉｚｅｄ　ＮＯＺＺｌｅ　ａｔ　Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ．　Ｉｎ：Ｆｉｒｓｔ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｈｅｒ．　ｍｏｐｈｙｓｉｃｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ．　１９９９．５７６－５８１　Ｉ２ｌ　Ｓｕｈａｓ　Ｖ　Ｐａｔａｎｋｅｒ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｈｅａｔ　ｎａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ．Ｍｃ　Ｇｒａｗ—Ｈｉｌｌ，１９８０，１４６－１７０　警