基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

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Numerical modeling of the flowfield for the charged t wo-phase turbulent jet is i mportant to the design of electrostatic spray eCuipment . in this study ， multi-fluid a-!-a p t wo-phase turbulence model is used to si mulate charged gas-liCuid t wo-phase coaxial jet . Comparing the modeling results with experi ments ， the charged gas-liCuid t wo-phase turbulence can be well predicted by this model ， which can be used in the design of electrostatic sprayer. Key words ： electrostatic spray ； t wo-phase flow ； turbulence ； numerical calculation 荷 電 噴 霧 技 術 以 其 良 好 的 霧 化 效 果 和 流 場 特 性 及 沉 積 性 能 廣 泛 地 應 用 于 靜 電 噴 涂 、 農(nóng) 藥 靜 電 噴 灑 、 靜 電 噴 霧 除 塵 及 噴 霧 燃 燒 等 領 域 1 . 由 于 強 電 場 作 用 下 的 氣 液 兩 相 的 相 內(nèi) 、 相 間 作 用 極 其 復 雜 ， 這 方 面 的 研 究 還 更 多 地 集 中 于 實 驗 研 究 . 以 往 對 荷 電 氣 固 兩 相 射 流 進 行 理 論 研 究 采 用 的 Lagrange 法 ， 只 考 慮 了 連 續(xù) 相 對 顆 粒 的 單 向 作 用 而 忽 略 了 相 間 耦 合 ， 同 時 還 只 考 慮 了 單 顆 粒 情 況 下 顆 粒 的 受 力 情 況 2 ， 3 . 作 者 采 用 的 顆 粒 擬 流 體 方 法 既 考 慮 了 相 間 滑 移 、 擴 散 的 耦 合 作 用 及 兩 相 相 內(nèi) 作 用 ， 同 時 還 考 慮 了 顆 粒 相 自 身 的 湍 流 擴 散 作 用 ， 是 目 前 比 較 完 整 的 兩 相 流 模 擬 方 法 . 在 顆 粒 擬 流 體 諸 方 法 中 ， 較 為 常 用 的 有 a-!- A p 、 a-!-a p 等 兩 相 湍 流 模 型 . a-!- A p 模 型 認 為 顆 粒 相 僅 僅 是 追 隨 流 體 脈 動 而 產(chǎn) 生 脈 動 . 但 近 年 來 的 實 驗 發(fā) 現(xiàn) ， 在 很 多 情 況 下 顆 粒 脈 動 比 流 體 脈 動 強 ， 這 說 明 顆 粒 湍 能 不 僅 取 決 于 當 地 流 體 脈 動 ， 而 且 類 似 于 流 體 存 在 自 身 的 對 流 、 擴 散 、 產(chǎn) 生 與 耗 散 特 性 . a-!-a p 模 型 則 考 慮 了 顆 粒 相 的 這 一 特 性 ， 而 建 立 顆 粒 相 的 湍 能 a p 輸 運 方 程 . 作 者 運 用 顆 粒 擬 流 體 方 法 中 的 a-!-a p 模 型 對 荷 電 氣 液 兩 相 收 稿 日 期 ： 2003 -06 -12 基 金 項 目 ： 國 家 自 然 科 學 基 金 資 助 項 目 （ 59776028 ） ； 江 蘇 大 學 高 級 人 才 基 金 資 助 項 目 （ JDG2003016 ） 作 者 簡 介 ： 王 軍 鋒 （ 1975 - ） ， 男 ， 山 東 煙 臺 人 ， 講 師 ， 博 士 ， 主 要 從 事 靜 電 噴 霧 、 荷 電 兩 相 流 理 論 及 應 用 方 面 的 研 究 ! . 湍 流 射 流 進 行 數(shù) 值 模 擬 . 1 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 模 型 荷 電 兩 相 湍 流 與 一 般 單 相 流 體 湍 流 的 不 同 之 處 在 于 ： 荷 電 兩 相 湍 流 中 廣 泛 存 在 著 荷 電 顆 粒 、 氣 相 流 場 、 高 壓 靜 電 場 三 者 之 間 的 相 互 作 用 . 對 于 一 般 單 相 流 體 湍 流 運 動 ， 文 獻 2 給 出 a-E 雙 方 程 模 型 . 實 驗 表 明 ： 荷 電 顆 粒 在 湍 流 氣 流 中 所 受 的 縱 向 力 中 ， 附 加 質(zhì) 量 力 、 壓 力 梯 度 力 、 浮 力 等 僅 是 粘 性 阻 力 的 10 -3 量 級 ； Bassett 力 是 粘 性 阻 力 的 10 -2 量 級 . 在 回 流 區(qū) 邊 緣 等 的 大 剪 切 流 區(qū) ， Saff man 力 往 往 和 粘 性 阻 力 具 有 相 同 量 級 或 高 一 個 量 級 ， 應 予 以 考 慮 . 對 于 稀 疏 兩 相 流 ， 僅 在 顆 粒 碰 壁 的 條 件 下 才 會 使 顆 粒 快 速 旋 轉(zhuǎn) ， 這 時 必 須 考 慮 Magnus 力 4 ， 5 . 在 一 般 荷 電 兩 相 湍 流 中 ， 由 于 f p !1. 0 ， 而 且 無 高 剪 切 流 區(qū) ， 所 以 附 加 質(zhì) 量 力 、 Basset 力 、 Saff man 力 、 Magnus 力 均 可 以 忽 略 . 荷 電 霧 滴 主 要 受 靜 電 力 、 粘 性 阻 力 、 重 力 的 作 用 ， 粘 性 滑 移 阻 力 是 荷 電 氣 液 相 間 作 用 的 主 要 形 式 . 對 于 靜 電 噴 霧 中 定 常 軸 對 稱 荷 電 氣 液 兩 相 同 軸 圓 射 流 ， 若 假 定 荷 電 氣 液 兩 相 相 間 作 用 均 勻 分 布 于 流 場 中 ， 考 慮 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 對 氣 相 的 相 間 作 用 而 產(chǎn) 生 的 源 項 ， 忽 略 重 力 項 ， 則 根 據(jù) 單 相 流 體 a-E 湍 流 模 型 方 程 組 可 得 氣 相 的 時 均 運 動 守 恒 方 程 組 I （ ） + 1 T T （ T O ） = I ! （ ） I + 1 T T ! T （ ） T + S!+ S! p （ 1 ） 對 于 稀 疏 懸 浮 流 的 荷 電 顆 粒 相 ， 可 忽 略 荷 電 顆 粒 間 的 碰 撞 ， 這 時 不 存 在 荷 電 顆 粒 相 內(nèi) 部 壓 力 和 粘 性 ， 同 時 忽 略 荷 電 顆 粒 質(zhì) 量 損 失 率 的 脈 動 及 阻 力 項 的 脈 動 ， 并 假 設 空 間 電 場 恒 定 ， 仿 照 氣 相 的 推 導 方 法 ， 不 計 重 力 項 ， 同 時 考 慮 氣 相 對 荷 電 顆 粒 相 的 相 間 作 用 以 及 高 壓 靜 電 場 對 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 的 作 用 而 產(chǎn) 生 的 源 項 ， 則 可 以 得 到 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 的 時 均 運 動 守 恒 方 程 I （ 7 p p p ） + 1 T T （ T7 p O p p ） = I !p p （ ） I + 1 T T !p T p （ ） T + S! p （ 2 ） 方 程 中 各 項 變 量 見 表 1. 表 1 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 方 程 變 量 Tab .1 List of ter ms for the charged gas-liIuid t wo-phase turbulent jet flow 方 程 變 量 （ p ） 擴 散 系 數(shù) （ ! !p ） 源 項 （ （ S ! + S !p ） S !p ） 氣 相 方 程 組 連 續(xù) 方 程 1 0 0 X （ 軸 ） 向 動 量 方 程 e - I I + I e （ ） I + 1 T T T e O （ ） T + # p （ pi - i ） T Tp R （ 徑 ） 向 動 量 方 程 O e - 1 T I T + I e （ ） T + 1 T T T e O （ ） T -2 e O T 2 + # p （ O pi -O i ） T Tp 湍 能 a 方 程 a e O a G a - E+ G p 耗 散 E 方 程 E e O E C 1 E a （ G a + G p ） + C 2 E 2 a 荷 電 顆 粒 相 方 程 組 連 續(xù) 方 程 7 p Y p O p 0 X （ 軸 ） 向 動 量 方 程 p 7 p Y p I 7 p Y p p （ ） I + 1 T T T7 p Y p O p （ ） I + 7 p T Tp （ - p ） + I p Y p O p 7 p （ ） I + 1 T T T p Y p O p 7 p （ ） T + 7 pC p E I R （ 徑 ） 向 動 量 方 程 O p 7 p Y p I 7 p Y p p （ ） T + 1 T T T7 p Y p O p （ ） T + 7 p T Tp （ O -O p ） + I O p Y p O p 7 p （ ） I + 1 T T TO p Y p O p 7 p （ ） T + 7 pC p E T 湍 能 a p 方 程 a p 7 p Y p O p G ap -7 p E p 表 中 ， 荷 電 霧 滴 顆 粒 數(shù) 密 度 7 p = li m V$0 N p （ ） V 氣 相 有 效 粘 性 系 數(shù) e = + T 其 中 湍 流 動 力 粘 性 系 數(shù) T = C a 2 E 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 湍 流 運 動 粘 性 系 數(shù) 4 Y p = C p a 12 p a 32 E 荷 電 霧 滴 產(chǎn) 生 的 源 項 中 增 加 了 電 場 力 作 用 項 7 pC p ! ， 該 項 是 采 用 顆 粒 擬 流 體 的 方 法 分 析 推 導 得 41 江 蘇 大 學 學 報 （ 自 然 科 學 版 ） 第 25 卷 到 ， 并 且 忽 略 了 荷 電 顆 粒 相 內(nèi) 部 壓 力 和 粘 性 . 其 中 電 場 強 度 ! 可 用 點 電 荷 橢 圓 積 分 求 解 的 方 法 1 對 靜 電 噴 霧 環(huán) 狀 電 極 感 應 電 場 進 行 模 擬 求 解 后 得 到 . 氣 相 湍 能 產(chǎn) 生 項 G a = PT 2 ! ! （ ） 2 + !O ! （ ） T 2 + O （ ） T 2 + ! !T + !O ! （ ） 2 相 間 作 用 產(chǎn) 生 的 湍 能 方 程 源 項 G ap = 7 p Y p 2 ! p ! （ ） 2 + !O p ! （ ） T 2 + O p （ ） T 2 + ! p !T + !O p ! （ ） 2 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 本 身 的 湍 能 產(chǎn) 生 項 G p = - 7 p m p T Tp 2 （ a - C a p aa p ） + Y p 7 p O p p !7 p ! + O p !7 p ! （ ） T 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 本 身 的 湍 能 耗 散 項 e p = - 2 T Tp （ C a p aa p - a p ） - a p 7 p ! ! Y p O p !7 p ! （ ） + 1 T ! !T T Y p O p !7 p ! （ ） T 平 均 弛 豫 時 間 T Tp = T Tp 1 + Re 2 3 p （ ） 6 -1 Re p =I p - I P d p P ， T Tp = d 2 pPp 18 P 各 通 用 常 數(shù) 4 ， 6 C P = 0. 09 ， C 1 = 1. 44 ， C 2 = 1. 92 ， O a = 1 ， O e = 1. 33 ， O p = 0. 7 ， C a p = 0. 75 ， C Pp = 0. 006 4 ， P = 18. 08 10 -6 （ Pa S ） 2 邊 界 條 件 和 數(shù) 值 計 算 圖 1 為 實 驗 采 用 的 風 送 荷 電 霧 化 裝 置 ， 各 參 數(shù) 列 于 表 2. 圖 1 霧 化 結(jié) 構(gòu) 簡 圖 Fig.1 Sketch of the Sprayer 表 2 荷 電 噴 霧 各 參 數(shù) Tab .2 Parameters of the electrostatic spraying 液 相 壓 力 充 電 電 壓 10 11 20 0. 3 MPa -35 kV 12. 0 m S 16. 0 m S 14. 0m S 2.1 邊 界 條 件 的 確 定 噴 管 出 口 （ 控 制 容 積 入 口 ） 邊 界 條 件 的 確 定 如 圖 2 所 示 . 圖 2 初 始 速 度 的 分 布 Fig.2 DiStribution of velocity 當 R #T 0 時 ： = 10 ， p = 20 ， O = 0 ， O p = 0 ， 7 p = 0. 當 T 0 $ R $R 0 時 ： = 11 ， O = 0 ， 7 p = 0. 其 他 如 a f ， a p ， e f 等 可 通 過 實 驗 獲 得 或 按 公 式 a = 0. 005 U 2 ， e= 0. 1a 2 取 . 2.2 其 他 邊 界 條 件 確 定 在 無 窮 遠 處 ， 取 = O = a = e= p = O p = a p = 7 p = 0 2.3 中 心 軸 線 處 邊 界 條 件 確 定 取 徑 向 速 度 O = O p = 0 ； 其 余 各 變 量 取 徑 向 梯 度 ! !T = 0. 2.4 控 制 容 積 出 流 邊 界 條 件 確 定 取 軸 向 梯 度 ! ! = 0. 在 上 述 邊 界 條 件 下 ， 將 a-e 控 制 方 程 組 在 交 錯 網(wǎng) 格 上 用 乘 方 差 分 格 式 進 行 差 分 得 到 差 分 方 程 組 . 在 SI MPLE 算 法 7 的 基 礎 上 ， 用 混 合 物 連 續(xù) 方 程 建 立 壓 力 修 正 方 程 ， 采 用 壓 力 速 度 耦 合 解 法 對 兩 相 差 分 方 程 組 進 行 迭 代 求 解 . 3 計 算 結(jié) 果 與 討 論 將 計 算 結(jié) 果 與 實 驗 結(jié) 果 對 比 （ 圖 3 、 4 ） 可 以 看 出 ， 用 a-e-a p 兩 相 湍 流 模 型 模 擬 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 可 以 取 得 與 實 際 情 況 較 為 相 符 的 結(jié) 果 . 在 射 流 初 始 段 ， 由 于 霧 化 噴 頭 的 存 在 ， 氣 相 速 度 存 在 明 顯 的 凹 形 . 而 霧 滴 軸 向 速 度 與 氣 相 速 度 一 致 ， 也 呈 現(xiàn) 出 明 顯 的 凹 形 . 可 以 得 出 ， 相 間 滑 移 阻 力 51 第 1 期 王 軍 鋒 等 ： 荷 電 噴 霧 兩 相 湍 流 流 場 的 數(shù) 值 計 算 是 氣 液 相 間 作 用 的 最 主 要 因 素 ， 對 霧 滴 的 運 動 狀 況 影 響 很 大 . 對 氣 相 而 言 ， 在 速 度 梯 度 較 大 的 區(qū) 域 ， 由 于 強 剪 切 作 用 ， 存 在 較 大 的 湍 能 值 . 反 映 在 數(shù) 值 計 算 的 結(jié) 果 上 ， 則 顯 示 出 O-r 平 面 上 有 4 個 峰 值 . 對 霧 滴 顆 粒 而 言 ， 在 大 部 分 區(qū) 域 湍 能 變 化 情 況 與 氣 相 一 致 ， 表 明 氣 相 湍 能 在 很 大 程 度 上 決 定 了 霧 滴 湍 能 ； 但 在 某 些 區(qū) 域 ， 也 出 現(xiàn) 了 霧 滴 顆 粒 湍 能 稍 大 的 情 況 ， 這 說 明 霧 滴 顆 粒 相 存 在 自 身 的 湍 動 （ 圖 5 、 6 ） . 圖 3 氣 相 軸 向 速 度 對 比 Fig.3 Axle velocity comparison of gas phase 圖 4 荷 電 霧 滴 軸 向 速 度 對 比 Fig.4 Axle velocity comparison of charged droplets 圖 5 氣 相 湍 能 分 布 Fig.5 Distribution of gas-phase s turbulence energy 圖 6 霧 滴 湍 能 分 布 Fig.6 Distribution of droplet s turbulence energy 4 結(jié) 論 用 文 中 建 立 的 a-!-a p 兩 相 湍 流 模 型 模 擬 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 與 試 驗 吻 合 較 好 . 這 說 明 將 此 模 型 用 于 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 流 場 預 測 可 取 得 較 好 效 果 ， 得 到 靜 電 噴 霧 的 噴 射 角 、 噴 射 范 圍 等 參 數(shù) ， 為 荷 電 噴 霧 燃 燒 器 的 設 計 及 改 進 提 供 理 論 依 據(jù) . 參 考 文 獻 （ References ） 1 王 軍 鋒 . 燃 油 靜 電 噴 霧 及 荷 電 兩 相 湍 流 射 流 的 研 究 D . 鎮(zhèn) 江 ： 江 蘇 大 學 ， 2002. 2 金 晗 輝 ， 王 軍 鋒 ， 王 澤 ， 等 . 靜 電 噴 霧 研 究 與 應 用 綜 述 J . 江 蘇 理 工 大 學 學 報 ， 1999 ， 20 （ 3 ） ： 16 -19. JI N an-hui ， WANGJun-feng ， WANG Ze ， et al . re- viewon research and application of electrostatic spraying J . Journal of Jiangsu Unioersity of Science and Technology （ Natural Science edition ） ， 1999 ， 20 （ 3 ） ： 16 -19. （ in Chinese ） 3 羅 惕 乾 ， 王 澤 ， 聞 建 龍 ， 等 . 荷 電 兩 相 流 理 論 分 析 與 計 算 J . 江 蘇 理 工 大 學 學 報 ， 2000 ， 21 （ 6 ） ： 50 -53. LUO ti-Cian ， WANG Ze ， WEN Jian-long. theoretic analysis and calculation of electrostatic chargedt wo phase turbulent jet J . Journal of Jiangsu Unioersity of Sci- ence and Technology （ Natural Science edition ） ， 2000 ， 21 （ 6 ） ： 50 -53. （ in Chinese ） 4 周 力 行 . 湍 流 兩 相 流 動 與 燃 燒 的 數(shù) 值 模 擬 M . 北 京 ： 清 華 大 學 出 版 社 ， 1991. 5 劉 大 有 . 兩 相 流 體 動 力 學 M . 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ， 1993. 6 黃 曉 晴 . 湍 流 氣 - 固 兩 相 流 動 理 論 及 應 用 D . 北 京 ： 清 華 大 學 ， 1988. 7 Patankar S V. 傳 熱 與 流 動 的 數(shù) 值 計 算 M . 張 政 譯 . 北 京 ： 科 學 出 版 社 ， 1984. （ 責 任 編 輯 陳 持 平 ） 61 江 蘇 大 學 學 報 （ 自 然 科 學 版 ） 第 25 卷 荷電噴霧兩相湍流流場的數(shù)值計算 作者： 王軍鋒， 聞建龍， 羅惕乾 作者單位： 江蘇大學能源與動力工程學院,江蘇,鎮(zhèn)江,212013 刊名： 江蘇大學學報(自然科學版) 英文刊名： JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2004,25(1) 被引用次數(shù)： 8次 參考文獻(7條) 1.PATANKAR S V;張政 傳熱與流動的數(shù)值計算 1984 2.黃曉晴 湍流氣-固兩相射流和三維湍回流氣-固兩相流動的研究學位論文 1988 3.劉大有 兩相流體動力學 1993 4.周力行 湍流兩相流動與燃燒的數(shù)值模擬 1991 5.羅惕乾;王澤;聞建龍 荷電兩相流理論分析與計算期刊論文-江蘇理工大學學報(自然科學版) 2000(06) 6.金晗輝;王軍鋒;王澤 靜電噴霧研究與應用綜述 1999(03) 7.王軍鋒 荷電噴霧燃燒的基礎研究燃油靜電噴霧及荷電兩相湍流射流的研究學位論文 2002 引證文獻(8條) 1.杜彥生.吳春篤.儲金宇.汪健 高射遠程楊樹靜電噴霧機的研制期刊論文-農(nóng)機化研究 2010(10) 2.杜彥生.吳春篤.儲金宇.汪健 高射遠程楊樹靜電噴霧機的研制期刊論文-廣東農(nóng)業(yè)科學 2010(6) 3.WANG Zhen-tao.羅惕乾.WANG Jun-feng.聞建龍.SONG Xiao-ning 高壓靜電噴霧滅菌的試驗期刊論文-排灌機械 2008(3) 4.聞建龍.王靜.王志強.宋曉寧 高壓靜電霧化噴漿脫硫?qū)嶒炂诳撐?高電壓技術 2008(10) 5.羅惕乾.王曉英.鄭捷慶.王貞濤.毛惠敏 氣流中荷電液滴破碎數(shù)值模擬期刊論文-排灌機械 2007(2) 6.康燦.楊敏官.羅惕乾.王曉英.高正平 高壓靜電噴灑機的試驗期刊論文-江蘇大學學報（自然科學版） 2007(3) 7.王軍鋒.毛惠敏.羅惕乾 荷電顆粒擬流體多相湍流模型的建立期刊論文-排灌機械 2007(1) 8.張軍.聞建龍.王軍鋒.羅惕乾 不同霧化模式下靜電霧化的霧滴特性期刊論文-江蘇大學學報（自然科學版） 2006(2) 本文鏈接：http:/