空氣霧化噴頭具有霧化費用低、結構簡單、霧化質量高、調節(jié)范圍大等優(yōu)點，在加熱爐、干燥爐、窯爐、工業(yè)鍋爐及化工設備中得到了廣泛應用。國內外眾多學者對液體霧化方法進行了廣泛的實驗與理論研究，研制開發(fā)出了各種不同結構和用途的噴嘴，并對這些噴嘴的噴嘴流量、霧化角、霧化液滴直徑及其分布等方面進行了研究。隨著CFD的技術的發(fā)展，可以利用計算機數(shù)值模擬方法對噴嘴性能進行模擬研究，一些學者對噴嘴內部流暢和噴嘴下游夜滴在實際流場中的運動狀態(tài)進行了研究；文獻在Y形噴嘴的基礎上，設計了一種橄欖形出口噴嘴，并對其進行了實驗研究，測量了不同氣、液壓力下該霧化噴嘴的流量、霧化角和索特爾平均粒徑及其在空間上的橫向和縱向分布；文獻設計了一種雙流體噴嘴，通過實驗研究得到了改噴嘴各參數(shù)之間的相互牽制關系；文獻對壓力式噴嘴霧化過程中氣夜傳質性能進行了研究，考察了系統(tǒng)中液體對氣體的吸收速率，推導了單液滴運動速度與時間的關系式。但上述文獻所研究的噴嘴大部分都不是扇形噴嘴，文獻所研究的噴嘴也只是在Y形噴嘴的基礎上進行了改進，目前，對扇形噴口噴嘴的報道比較少見。

筆者運用數(shù)值計算方法，研究了非穩(wěn)態(tài)條件下不同噴嘴孔度、氣液質量流量比對內混式扇形空氣霧化噴嘴的外部流暢、噴嘴下游顆粒速度分布以及顆粒粒徑分布的影響。

一、物理模型

壓縮空氣經空氣流道進入噴嘴，咋噴嘴內部與水進行混合，發(fā)生強烈的能量交換和動量交換，在扇形噴口處，氣液混合物被擠壓成扁平的扇形狀高速噴出，完成噴霧過程。空氣流道直徑為10mm，水流道直徑為5mm，扇形噴口度分別為0.4、0.6、0.8mm。

二、數(shù)學模型

2.1氣相端流模型

現(xiàn)有端流模型很多，包括：單方程模型、標準模型、重整組模型、可實現(xiàn)模型及雷諾應力模型和大渦模擬?？蓪崿F(xiàn)模型在模擬平面或圓形射流時，可以準確給出射流擴張角，因而，在噴霧計算中被廣泛的采用。

2.2液滴阻力系數(shù)

霧化過程中，假定在整個流動區(qū)域內保持為球形。

當韋伯數(shù)較大時，液滴在氣相內運動過程中，其形狀由初始的球形變化為非球形。情況下，液滴的形狀將變化為盤狀。由于液滴的阻力系數(shù)對液滴的形狀依賴較強，因此，假定液滴為球形就不合適了。考慮液滴變形的影響，液滴阻力系數(shù)的表達

2.3液滴噴霧模型

在噴霧過程計算中，泰勒類比破碎模型被廣泛的運用。該模型將液滴振動及變形與彈性質量系統(tǒng)進行類比，液滴m上的空氣動力f對應外力，彈性反應類比液滴表明張力k，阻尼力類比液滴黏性力d，則受迫、有阻尼受控

三、數(shù)值計算及結果分析

3.1網絡劃分及邊界條件

噴嘴為圓頭扇形噴嘴，因此在計算時，適宜采用三維網絡劃分，噴嘴內部和噴嘴出口處進行局部網絡加密。噴嘴為對稱體，采用六面體網格，噴嘴下游流體擴散區(qū)域采用四面體網格。

以空氣和液態(tài)水為工作介質，空氣為連續(xù)相，液態(tài)水為離散相，分別對0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mm的噴嘴孔口寬度下，，氣液質量流量比為百分之17、百分之20.百分之23、百分之26、百分之28的噴霧工況進行了模擬計算，時間步長為5秒。

3.2計算結果分析

模擬過程中采用藕合模型，氣體相采用歐拉連續(xù)介質模型。首先對連續(xù)相一空氣在穩(wěn)態(tài)條件下進行計算，空氣經過扇形噴嘴后，被擠壓成扇形形狀向下游充分發(fā)展，當連續(xù)相計算收斂后，再加入離散相一液態(tài)水進行噴霧過程計算，噴霧過程為非穩(wěn)態(tài)藕合計算，液滴在端流流動的攜帶下，在噴嘴下游擴散，完成噴霧過程。

3.2.1空口寬度噴嘴性能的影響

液滴在端流氣流的攜帶下，在噴嘴下游空間充分擴散開從黑色至灰色一次標記色為黑色的顆粒群，由于噴出的液滴和周圍環(huán)境流體存在較大的相對速度，離開噴嘴出口后液滴開始向周圍空間擴散，而周圍空氣只是在射流的卷吸作用下運動，速度很小，擴散到噴嘴出口周圍空間的液滴受到空氣的阻礙，速度減小，運動很緩慢，被滯留在噴嘴出口附近。

液滴的速度隨著孔口寬度的增加而減小，空口寬度為0.4mm時，液滴的速度為79.6m/s；噴嘴口寬度為0.8mm是，速度為53.2m/s。氣液質量流量比為定值時；隨著噴嘴孔口寬度的增大，霧化角逐漸減?。嚎湛趯挾葹?.4mm是，霧化角約為150°；噴嘴口寬度為0.8mm時，霧化角約為70°。

噴嘴孔口寬度的大小對噴嘴霧化性能影響顯著，很大程度上決定了液滴的大小。氣液質量流量比定值時，SMD隨著噴嘴孔口度為0.4mm時，SMD為39.6um;噴嘴孔口寬度為0.8mm時，SMD為46.9um。由此可見，為了得到更細小的液滴，噴嘴孔口寬度不宜過大。

3.2.2氣液質量流量比對噴嘴性能的影響

氣液質量流量比為百分之23的工況為例，可以看出，空氣進入噴嘴，在噴嘴內被壓縮加速，經過壓縮區(qū)后，氣流速度達到約60m/s，然后經過扇形孔口，在扇形孔口處流體被充分擠壓，再次加速，當達到噴嘴出口（X=21.5mm）時，速度達到值166m/s?？諝鈬姵鰢娮旌?，與周圍空氣相互作用，發(fā)生明顯卷吸現(xiàn)象。此后，由于受到外部氣體的耗散作用，氣流速度逐漸下降。氣流混合物中，氣相所占的比例越大，則氣液混合物的動能也就越大。隨著氣液質量流量比的增加，軸線上氣流的速度也不斷增大：氣液質量流量比為百分之17時，噴嘴出口氣流速度為125m/s；當氣液質量流量比增加到百分之28時，噴嘴出口氣流速度可達209m/s。

如前所述，在噴嘴孔口寬度一定的情況下，氣液混合物中，氣體所占的比例越大，混合物所具有的動能就越大，液體破碎越充分，所得到的液滴就越細小，但液滴直徑與氣液質量流量比并非總是呈反比變化。噴嘴孔口寬度為0.6mm時，距離噴嘴出口20mm處SMD隨著氣液質量流量比的增加，先逐漸減小，當SMD達到極小值后，又開始增大，SMD的極小值約為39.5um。因此，在實際應用過程中，為了獲得良好的液滴粒徑分布，應根據(jù)實際噴頭孔口寬度，選擇合適的氣液質量流量比。