低出口压力下喷嘴内部空化流动模拟分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:李建昌

  采用Ansys Fluent 软件并基于Schnerr 与Sauer 空化模型, 对出口压力小于10 Pa 平口喷嘴内部的空化流动进行了模拟, 研究了喷射压力和喷嘴直径对喷嘴内部蒸汽体积和湍动能分布的影响。结果表明, 高喷射压力( 10 MPa) 对喷嘴内部蒸汽体积的作用减弱, 喷射压力为10 MPa 时, 喷嘴出口径向上的蒸汽体积大于其它喷射压力下的蒸汽体积, 可获得较好的空化效果; 喷嘴内的湍动能随喷射压力的增加而增加; 喷嘴直径对喷嘴内部的空化流动有很大的影响, 喷嘴直径越小所产生的空化流动越强烈, 对比其它直径的喷嘴, 直径为0.1 mm 的喷嘴在出口处的蒸汽体积和湍动能较大, 有助于雾化质量的提高。

  随着纳米材料和纳米技术的发展, 聚合物有机纳米功能薄膜, 因其质量轻、柔韧性好及易于加工等特点已在工业、医用及科技领域中得到广泛的应用。纳米技术与液相材料工艺结合日渐紧密, 基于溶液制备聚合物薄膜的方法主要有旋涂法、喷墨打印法和溶胶-凝胶法( so-l gel) 等, 而真空喷雾法作为制备聚合物薄膜较为新型的方法, 以其成膜致密、膜厚均匀可控及杂质少等优点而备受关注。近年来, Mo 等通过真空喷射法制备了聚碳酸酯( -t Bu) 4CuPc) 、聚乙烯MEH-PPV 和PMMA 等聚合物有机纳米功能薄膜, 并研究了所制备薄膜的形貌与光电特性。为获得光滑致密的聚合物薄膜以便对其性能进行表征, 对喷嘴喷射流场进行了大量的研究, 发现喷嘴内部的空化流动是影响喷雾特性的重要因素, 其在喷嘴内引起的紊乱对雾化效果造成的影响远大于喷嘴外部空气的影响, 空化湍流流动在一定程度上会促进雾化效果的提高; 同时,低出口压力有助于喷嘴内空化流动的形成, 并进一步提高雾化效果。

  在真空喷射法制备聚合物薄膜过程中, 喷嘴直径一般只有零点几毫米甚至几十微米, 流体通过喷嘴的流速较高, 喷射持续时间很短, 且存在高湍流强度及气液两相流的复杂性, 使得很难直接观测和测量喷嘴内部的流动状态, 因此对喷嘴内部的空化流动进行多维数值模拟成为一种有效的研究手段。前期的模拟分析发现, 当出口压力低于0. 1MPa 时, 其对喷嘴内部的空化流动影响很小,在相关文献中, 真空喷射法制备聚合物纳米薄膜研究所设定的真空室真空度一般小于《10 Pa, 且有关低压下喷嘴内部的流动过程的研究鲜有报道。本文以真空喷射法制备聚合物薄膜为出发点, 利用Ansys Fluent 和Gambit 软件对低压力( 10 Pa) 下平口喷嘴内的空化流动进行了模拟分析, 研究了不同喷射压力和喷嘴直径对喷嘴内部的蒸汽体积分数和湍动能( turbulent kinetic energy,TKE) 分布的影响, 真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这对喷嘴结构优化和喷射参数设定具有实际的指导作用。

  几何模型及边界条件

  喷嘴是喷射系统中重要的组成部件, 本文选用Suh 等研究的平口喷嘴, 它是机械雾化直射式喷嘴中的最简单的一种压力喷嘴, 其研究具有广泛代表性。平口喷嘴的几何尺寸和边界条件如图1 所示, 喷嘴入口锐边, 入口直径D 和喷孔长度L 分别为0.8 mm 和1 mm, 出口直径d 初步设置为0.2mm; 喷嘴入口和出口分别采用压力入口和出口边界条件, 计算域四壁均为Wall, 近似无滑移。为减少计算量, 利用Gambit 软件将喷嘴内部空化区域的模拟计算简化为二维轴对称问题, 网格在靠近轴线和壁面附近处加密。

平口喷嘴的几何尺寸和边界条件

图1 平口喷嘴的几何尺寸和边界条件

  本文利用Gambit 软件建立了平口喷嘴模型, 并基于Ansys Fluent 软件中的Schnerr 与Sauer 空化模型对低出口压力( < 10 Pa) 平口喷嘴内的空化流动进行了模拟, 研究了喷射压力和喷嘴直径对喷嘴内蒸汽体积和湍动能分布的影响。结果发现, 低喷射压力( < 10 MPa) 对喷嘴内的空化流动影响很大, 而当喷射压力大于10 MPa 时, 喷射压力对空化流动的作用不明显; 在10 MPa 时, 喷嘴内空化层延伸至喷嘴出口, 形成完全空化流, 出口径向上的蒸汽体积大于其它喷射压力下的蒸汽体积, 可获得良好的空化流动; 随着喷射压力的增加, 流体在喷嘴入口截面处产生高速的流动速率, 并在壁面处附近形成很大的扰动动能, 喷嘴内湍动能增加; 喷嘴直径是影响喷嘴内部空化流动的重要因素, 喷嘴直径越小, 流体在流经喷嘴入口截面处的流速增加会产生强烈的空化流动, 对比其它直径的喷嘴, 直径为0.1 mm 的喷嘴在出口处的蒸汽体积和湍动能较大, 有助于雾化质量的提高。

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