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基于Fluent的旋流喷嘴内流场速度数值模拟

2024-11-04 78 上传者：管理员

摘要：目前我国针对井下粉尘的防治工作一般采用喷雾降尘方法，喷嘴作为喷雾的发生装置，其内部结构直接影响降尘效率。为了解喷嘴内部流场在流动过程中的变化情况，依据流体力学基本理论，结合Fluent流体分析软件对矿用五孔旋流喷嘴的单孔进行内部流场模拟仿真，分析了喷嘴流动过程中旋芯加速、旋流室强化、收缩段加速、出口段整流4个阶段。并在旋流室深度原有的基础上，分别加设1 mm、2 mm来探究对喷嘴出口速度的影响。结果表明：喷嘴出口速度分布随着旋流室深度增加呈现均匀趋势，最大出口速度呈现先增大后减小的趋势。

关键词：
Fluent
出口速度
数值模拟
旋流喷嘴
煤炭开采
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近年来，随着煤炭开采工业化，工作面生产强度不断提高，开采空间内粉尘质量浓度也直线上升。煤矿粉尘是煤炭生产中无法避免的危害之一，而其中的SiO2分子是导致煤矿工人尘肺病的元凶。目前据不完全统计，尘肺病占总体职业病的90%,其中患有尘肺病的矿井工人约占总体尘肺病工人的92.8%,且患病人群呈现年轻化趋势。当粉尘过高时容易发生爆炸事故，造成巨大的人员伤亡和财产损失，虽然近年来粉尘爆炸事故数量略有降低，但在煤矿事故中的占比仍超过50%.此外，高浓度粉尘还会影响工作面能见度、加快设备磨损，增加维护成本的同时留下安全隐患。

喷雾降尘一直是矿井降尘的主流方法，喷嘴作为喷雾的发生装置，其内部结构直接影响射流的雾化情况。郝磊等[1]利用Fluent对雾化喷头内部流场进行分析，得出了入口压力与出口速度，及雾化角之间的关系。隋金君[2]通过研究离心喷嘴在不同喷嘴扩张比条件下的雾化特性，得出了雾化锥角、雾化粒径及液膜轴向速度的变化规律。旋流室喷嘴由于流体流入方向与轴向方向呈锐角，因此流体进入旋流室后有一定切向速度，相较直射式喷嘴有更大的雾化角度，喷雾的空间覆盖范围更广。以矿井常见的五孔旋流喷嘴某一单孔为研究对象，进行喷嘴内部流场仿真，分析数据结果，为以后的优化研究提供参考。

1、建立喷嘴模型

1.1 几何模型

参照铝制四分五眼喷头，测量数据建立喷嘴三维模型如图1所示，旋芯模型如图2所示，并绘制如图3所示的喷嘴模型结构示意图。旋芯直径为10 mm, 厚度为2 mm, 其旋流槽入口长和宽分别是2.50 mm和1.95 mm, 螺旋升角45°;喷嘴内部旋流室长度为0.5 mm, 收缩角150°,出口直径1 mm, 整个进出口之间距离为4.5 mm.液体经过两个旋流通道，带有一定切向速度进入旋流室后相互混合，随后通过收缩段提高流体速度，最后由出口段整流喷射而出形成细水雾。

图1 喷嘴三维模型

图2 旋芯模型

图3 喷嘴结构示意

1.2 网格划分

采用Fluent自带的meshing对从三维喷嘴结构中提取的流场模型进行网格划分。meshing集成于Fluent中，具有使用方便、能够处理复杂模型、提供更多网格控制方式、生成不同网格类型等优点。网格划分结果如图4所示，生成的网格节点数为20 422个，单元数为50 767个，其中采用平滑过渡方式设置膨胀层。

图4 网格划分(单位：mm)

2、选择计算模型

2.1 湍流模型

研究流体在喷嘴内部的流动特性，由于流动过程无明显的传热换热现象，可假设其为不可压缩流体，因此流体力学三大基本控制方程可简化为只对质量守恒方程与动量守恒方程求解。

质量守恒方程为：

式中：u、v、w分别为速度矢量在x、y、z方向上的分量；ρ为流体密度，kg/m3.由于流体为不可压缩流体，则该流体密度保持不变，上述公式第一项为0.

动量守恒方程在x,y,z方向上的表达式分别为：

式中：p为单位体积流体所受压力，MPa;Fx、Fy、Fz为单位体积流体所受外力在x、y、z方向上的分量；μ为流体动力粘度[3]。

流体由于喷嘴特殊的内部结构会具有一定的切向速度，使得圆周方向的湍流强度增强，同时考虑到喷嘴前端收缩迅速，呈现高速湍流状态。选用RNG k-ε模型，其占用低内存却能高效、精确地处理复杂问题；同时可以适应旋流喷嘴内部大角度旋流问题，符合流体流动状态。

2.2 多相流模型

多相流模型主要是描述不同物质相态在流动过程中的物理模型，仿真过程中选取VOF多相流模型主要基于以下两个原因。首先，VOF模型可以有效地进行表面张力的处理，拥有强大的耦合能力和灵活高效的解耦方法，从而保证了计算结果的准确性。其次，VOF通常利用有限体积法求解，在面对气液两相复杂流动的情况时，可以精准地捕捉不同流体之间的界面。仿真过程中第一项空气和第二项水均为不可压缩流体，不易交叉混合，且喷嘴出口处存在分层流动的现象，适用于VOF模型。

3、数值计算与结果分析

3.1 边界条件

模型导入Fluent后，先进行网格缩放保持单位的统一，其次对流场模型的网格进行检查，确保网格质量符合计算要求，内流场模型如图5所示。通用设置里面选择压力基类型的瞬态求解器，重力加速度沿y正方向，大小为9.812 m/s2.选择VOF多相流模型，设置第一项为空气、第二项为液体水；打开表面张力模型、勾选壁面黏附同时设置表面张力系数为0.071 N/m.粘性模型选择RNG k-ε模型，搭配标准壁面函数。RNG k-ε模型相较于k-ε模型来说，可以更加精确地模拟流体在流动过程中出现的一些复杂情况，同时具有更高的求解精度和理论基础。

图5 喷嘴内流场

两条旋流通道入口边界条件设置为压力入口，入口压力为4 MPa, 湍流设置保持默认，将第二项水的体积分数设为1,表示入口处只有水进入；喷嘴出口设置为压力出口，出口压力为0 MPa, 设置第二项水的回流体积分数为0,表示水不发生回流；壁面设置为静止、无滑移壁面，壁面粗糙度模型保持默认。

压力速度耦合方案选择PISO方案，空间离散梯度选择Least Squares Cell Based, 空间离散压力选择PRESTO!离散体积分数选择Geo-Reconstruct, 另外离散动量、湍流动能、湍流耗散率均使用Second Order Upwind.采用标准初始化，时间步长设置为10-7,保证计算结果收敛。

3.2 结果分析

3.2.1 内流场流动特性分析

结合喷嘴结构示意图(图3)和喷嘴轴向速度云图(图6),可以看出喷嘴内流场的最大速度在出口段壁面附近为21 m/s左右，流动过程中大致可以分为旋芯加速、旋流室强化、收缩段加速、出口段整流4个阶段。

图6 速度云图

第一阶段是旋芯加速阶段。流体经过旋芯上预留的旋流通道，沿通道做加速运动，获得一定的切向加速度和轴向加速度。从速度云图上大致可推断，当流体达到旋芯出口时速度约为2.1 m/s, 证明旋芯对流体的流动状态有着直接影响。

第二阶段是旋流室强化阶段。喷嘴模型旋流室长度仅为0.5 mm, 旋流强化效果只能简单定性分析，分别绘制流体刚进入、离开旋流室的速度矢量图如图7所示。

图7 旋流室速度矢量图

由图7(a)可知，流体刚进入旋流室时，旋流强度较为明显的位置只有旋芯出口处和整个旋流轴心处。当离开旋流室到达收缩段前，通过图7(b)可以分析出，此时的流体基本上都具备一定的旋流特征，形成稳定的同心旋转，验证了旋流室对流体旋流强化的作用。

通过对比图7(a)、(b)两个速度矢量图，整体上流体速度由壁面向轴心逐渐增大，这是由于旋流流体向内部一层层转动惯量，导致壁面附近流体速度低于轴心区域。但是轴心周围流体的最大速度并没有发生明显的变化，证明旋流室作用主要是流体动量之间的传递，导致旋流强度增强，使旋流室内的流体充分参与到旋流运动中。

第三阶段是收缩段加速阶段。喷嘴收缩段截面半径由5 mm收缩到0.5 mm, 根据质量守恒定律和连续性方程可知，流量相同的情况下，截面面积与流体速度成反比关系。收缩段入口和出口速度分布图如图8所示，其中z1表示入口速度，z2表示出口速度，两条速度曲线近似呈“马鞍形”,表明截面上流体速度沿着径向方向呈现“小-大-小”的趋势，且收缩段出口处的速度明显大于入口处速度，从15 m/s提升到20 m/s, 而轴芯处速度变化不大，基本稳定在10 m/s.

图8 收缩段入口、出口速度分布图

最后一个阶段为出口整流阶段。主要是对刚经过收缩段加速的流体进行方向的统一，在出口处形成方向为同心转动的流体。分别绘制整流段进出口的速度矢量图如图9所示，可以看到流体方向由原来杂乱无序变为规律的同心转动；由于出口段长度较短基本没有沿程损失，因此速度无明显变化。

图9 整流段速度矢量图

由图10出口速度分布云图可知，喷嘴出口靠近壁面区域的流速大于喷嘴轴心处的速度，符合图6所体现的内容。随着流体进入旋流内，喷嘴内原来的空气逐渐被排到喷嘴外面，当大量旋流液体进入喷嘴内部，在旋流影响下或者吸入空气的作用下形成空气芯，图6轴心处存在较为明显的、贯通喷嘴内流场的空气芯。另外也可能是由于旋流室过窄，导致流体的旋流强度没有充分传递，同时在出口段流体的牵引作用下，使得轴心处流体未充分转动便已经从喷嘴口形成射流喷出。

图10 出口速度分布云图

3.2.2 旋流室深度对喷嘴速度的影响

探究旋流室深度与喷嘴出口速度分布之间的规律，分别建立旋流室深度为1.5 mm、2.5 mm的内部流场模型。模型除了旋流室深度改变的情况下，其他的结构参数保持不变，网格划分方法和模型求解方法等与前文一致，计算结果如图11所示。

图11 喷嘴速度云图

分析图11可知，旋流室深度为1.5 mm的喷嘴最大出口速度为21.5 m/s, 相较旋流室深度为0.5 mm的喷嘴速度提高了0.5 m/s; 旋流室深度为2.5 mm的喷嘴最大出口速度为20.5 m/s, 相较于0.5 mm的喷嘴速度降低了0.5 m/s.表明喷嘴最大出口速度并不一定随着旋流室深度的增加而增加，相反当旋流室流体在特定深度时流体速度会达到极限，超过特定深度后在沿程损失、局部阻力等复杂因素下，流体最大速度会出现降低趋势。

对比图10、图11(a)和图11(b),发现随着旋流室深度的增加，喷嘴出口速度云图中速度分布越来越均匀，旋流室深度为2.5 mm的喷嘴出口速度整体在20.5 m/s, 相较于前两个喷嘴没有明显的速度差。观察图11(c)、图11(d),喷嘴轴心存在明显的空气芯，但是没有贯通整个喷嘴，其长度略大于旋流室深度，内部速度分布也越来越均匀。

4、结语

1) 采用Fluent中RNG k-ε模型仿真喷嘴内部流动过程，较好地反应喷嘴内部流动特性，并依次分析了旋芯加速、旋流室强化、收缩段加速、出口段整流4个阶段。

2) 通过加长旋流室深度，探究出口速度分布，得到如下结论：喷嘴出口速度分布随着旋流室深度增加呈现均匀趋势，最大出口速度呈现先增大后减小的趋势。

3) 仿真用的旋流喷嘴内部存在空气芯，容易导致喷嘴雾场呈现空心圆锥状，液滴数量低且射程短，不适合高浓度粉尘面的喷雾降尘工作，可以考虑再优化旋芯结构，消除空气芯影响。

参考文献:

[1]郝磊,高雄,陈铁英.基于ICEM和FLUENT温室雾化喷头内部流场分析[J].农机化研究,2016,38(6):88-92.

[2]隋金君.多参数条件下采煤机喷雾降尘技术研究[J].工业仪表与自动化装置,2018(5):52-55.

[3]王卓然.矿用旋流混合式喷嘴结构优化及雾化降尘特性研究[D].徐州:中国矿业大学,2021.

基金资助:山西省2023年度研究生实践创新项目(2023SJ293);山西大同大学2023年研究生教育创新项目(23CX10);

文章来源:张虎虎,张瑞平.基于Fluent的旋流喷嘴内流场速度数值模拟[J].煤,2024,33(11):15-19.