基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場(chǎng)仿真研究【含有限元】【說(shuō)明書+CAD+PROE】,含有限元,說(shuō)明書+CAD+PROE,基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場(chǎng)仿真研究【含有限元】【說(shuō)明書+CAD+PROE】,基于,ansys,噴霧器,噴嘴,仿真,研究,鉆研,有限元,說(shuō)明書,仿單,cad,proe 第 25 卷 第 1 期 2004 年 1 月 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) （ 自 然 科 學(xué) 版 ） Journal of Jiangsu University （ Natural science Edition ） Vol .25 No.1 Jan .2004 荷 電 噴 霧 兩 相 湍 流 流 場(chǎng) 的 數(shù) 值 計(jì) 算 王 軍 鋒 ， 聞 建 龍 ， 羅 惕 乾 （ 江 蘇 大 學(xué) 能 源 與 動(dòng) 力 工 程 學(xué) 院 ， 江 蘇 鎮(zhèn) 江 212013 ） 摘 要 ： 荷 電 噴 霧 可 以 有 效 地 改 善 霧 化 質(zhì) 量 和 噴 霧 流 場(chǎng) 特 性 ， 因 此 被 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 靜 電 噴 涂 、 除 塵 、 藥 物 噴 灑 和 液 體 燃 料 的 霧 化 燃 燒 等 領(lǐng) 域 . 荷 電 噴 霧 湍 流 射 流 流 場(chǎng) 的 數(shù) 值 模 擬 對(duì) 于 荷 電 噴 霧 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 及 確 定 射 流 噴 霧 的 各 特 性 參 數(shù) 具 有 重 要 意 義 . 采 用 顆 粒 擬 流 體 方 法 ， 用 a-!-a p 荷 電 兩 相 湍 流 模 型 對(duì) 荷 電 噴 霧 氣 液 兩 相 湍 流 流 場(chǎng) 進(jìn) 行 了 數(shù) 值 模 擬 . 經(jīng) 與 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 對(duì) 比 ， 該 模 型 可 以 較 好 地 模 擬 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 流 場(chǎng) ， 可 用 于 荷 電 噴 灑 機(jī) 具 和 荷 電 噴 霧 燃 燒 器 的 設(shè) 計(jì) . 關(guān) 鍵 詞 ： 靜 電 噴 霧 ； 兩 相 流 ； 湍 流 ； 數(shù) 值 計(jì) 算 中 圖 分 類 號(hào) ： TF055 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ： A 文 章 編 號(hào) ： 1671 -7775 （ 2004 ） 01 -0013 -04 Nu merical modelin g of char g ed t wo- p hase j et flow in electrostatic s p ra y WANGJHn-feng ， WENJian-long ， LUO ti-Cian （ school of Energy and Power Engineering ， Jiangsu University ， Zhenjiang ， Jiangsu 212013 ， China ） Abstract ： Electrostatic spray cani mprove the Cuality and the field properties of liCuid atomization effi- ciently ， thus it has been used widely in spray coating ， pesticide spraying ， dust control and spray com- bustion . 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(shù) 以 其 良 好 的 霧 化 效 果 和 流 場(chǎng) 特 性 及 沉 積 性 能 廣 泛 地 應(yīng) 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(lǐng) 域 1 . 由 于 強(qiáng) 電 場(chǎng) 作 用 下 的 氣 液 兩 相 的 相 內(nèi) 、 相 間 作 用 極 其 復(fù) 雜 ， 這 方 面 的 研 究 還 更 多 地 集 中 于 實(shí) 驗(yàn) 研 究 . 以 往 對(duì) 荷 電 氣 固 兩 相 射 流 進(jìn) 行 理 論 研 究 采 用 的 Lagrange 法 ， 只 考 慮 了 連 續(xù) 相 對(duì) 顆 粒 的 單 向 作 用 而 忽 略 了 相 間 耦 合 ， 同 時(shí) 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(kuò) 散 的 耦 合 作 用 及 兩 相 相 內(nèi) 作 用 ， 同 時(shí) 還 考 慮 了 顆 粒 相 自 身 的 湍 流 擴(kuò) 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(rèn) 為 顆 粒 相 僅 僅 是 追 隨 流 體 脈 動(dòng) 而 產(chǎn) 生 脈 動(dòng) . 但 近 年 來(lái) 的 實(shí) 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) ， 在 很 多 情 況 下 顆 粒 脈 動(dòng) 比 流 體 脈 動(dòng) 強(qiáng) ， 這 說(shuō) 明 顆 粒 湍 能 不 僅 取 決 于 當(dāng) 地 流 體 脈 動(dòng) ， 而 且 類 似 于 流 體 存 在 自 身 的 對(duì) 流 、 擴(kuò) 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(yùn) 方 程 . 作 者 運(yùn) 用 顆 粒 擬 流 體 方 法 中 的 a-!-a p 模 型 對(duì) 荷 電 氣 液 兩 相 收 稿 日 期 ： 2003 -06 -12 基 金 項(xiàng) 目 ： 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 資 助 項(xiàng) 目 （ 59776028 ） ； 江 蘇 大 學(xué) 高 級(jí) 人 才 基 金 資 助 項(xiàng) 目 （ JDG2003016 ） 作 者 簡(jiǎn) 介 ： 王 軍 鋒 （ 1975 - ） ， 男 ， 山 東 煙 臺(tái) 人 ， 講 師 ， 博 士 ， 主 要 從 事 靜 電 噴 霧 、 荷 電 兩 相 流 理 論 及 應(yīng) 用 方 面 的 研 究 ! . 湍 流 射 流 進(jìn) 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(chǎng) 、 高 壓 靜 電 場(chǎng) 三 者 之 間 的 相 互 作 用 . 對(duì) 于 一 般 單 相 流 體 湍 流 運(yùn) 動(dòng) ， 文 獻(xiàn) 2 給 出 a-E 雙 方 程 模 型 . 實(shí) 驗(yàn) 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(jí) ； Bassett 力 是 粘 性 阻 力 的 10 -2 量 級(jí) . 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(jí) 或 高 一 個(gè) 量 級(jí) ， 應(yīng) 予 以 考 慮 . 對(duì) 于 稀 疏 兩 相 流 ， 僅 在 顆 粒 碰 壁 的 條 件 下 才 會(huì) 使 顆 粒 快 速 旋 轉(zhuǎn) ， 這 時(shí) 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(wú) 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(duì) 于 靜 電 噴 霧 中 定 常 軸 對(duì) 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(chǎng) 中 ， 考 慮 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 對(duì) 氣 相 的 相 間 作 用 而 產(chǎn) 生 的 源 項(xiàng) ， 忽 略 重 力 項(xiàng) ， 則 根 據(jù) 單 相 流 體 a-E 湍 流 模 型 方 程 組 可 得 氣 相 的 時(shí) 均 運(yùn) 動(dòng) 守 恒 方 程 組 I （ ） + 1 T T （ T O ） = I ! （ ） I + 1 T T ! T （ ） T + S!+ S! p （ 1 ） 對(duì) 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(shí) 不 存 在 荷 電 顆 粒 相 內(nèi) 部 壓 力 和 粘 性 ， 同 時(shí) 忽 略 荷 電 顆 粒 質(zhì) 量 損 失 率 的 脈 動(dòng) 及 阻 力 項(xiàng) 的 脈 動(dòng) ， 并 假 設(shè) 空 間 電 場(chǎng) 恒 定 ， 仿 照 氣 相 的 推 導(dǎo) 方 法 ， 不 計(jì) 重 力 項(xiàng) ， 同 時(shí) 考 慮 氣 相 對(duì) 荷 電 顆 粒 相 的 相 間 作 用 以 及 高 壓 靜 電 場(chǎng) 對(duì) 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 的 作 用 而 產(chǎn) 生 的 源 項(xiàng) ， 則 可 以 得 到 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 的 時(shí) 均 運(yùn) 動(dòng) 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(xiàng) 變 量 見(jiàn) 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(kuò) 散 系 數(shù) （ ! !p ） 源 項(xiàng) （ （ S ! + S !p ） S !p ） 氣 相 方 程 組 連 續(xù) 方 程 1 0 0 X （ 軸 ） 向 動(dòng) 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(dòng) 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(dòng) 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(dòng) 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(dòng) 力 粘 性 系 數(shù) T = C a 2 E 荷 電 霧 滴 顆 粒 相 湍 流 運(yùn) 動(dòng) 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(xiàng) 中 增 加 了 電 場(chǎng) 力 作 用 項(xiàng) 7 pC p ! ， 該 項(xiàng) 是 采 用 顆 粒 擬 流 體 的 方 法 分 析 推 導(dǎo) 得 41 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) （ 自 然 科 學(xué) 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(chǎng) 強(qiáng) 度 ! 可 用 點(diǎn) 電 荷 橢 圓 積 分 求 解 的 方 法 1 對(duì) 靜 電 噴 霧 環(huán) 狀 電 極 感 應(yīng) 電 場(chǎng) 進(jìn) 行 模 擬 求 解 后 得 到 . 氣 相 湍 能 產(chǎn) 生 項(xiàng) 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(xiàng) 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(xiàng) 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(xiàng) 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(shí) 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(jì) 算 圖 1 為 實(shí) 驗(yàn) 采 用 的 風(fēng) 送 荷 電 霧 化 裝 置 ， 各 參 數(shù) 列 于 表 2. 圖 1 霧 化 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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(dāng) R #T 0 時(shí) ： = 10 ， p = 20 ， O = 0 ， O p = 0 ， 7 p = 0. 當(dāng) T 0 $ R $R 0 時(shí) ： = 11 ， O = 0 ， 7 p = 0. 其 他 如 a f ， a p ， e f 等 可 通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 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(wú) 窮 遠(yuǎn) 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(cuò) 網(wǎng) 格 上 用 乘 方 差 分 格 式 進(jìn) 行 差 分 得 到 差 分 方 程 組 . 在 SI MPLE 算 法 7 的 基 礎(chǔ) 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(duì) 兩 相 差 分 方 程 組 進(jìn) 行 迭 代 求 解 . 3 計(jì) 算 結(jié) 果 與 討 論 將 計(jì) 算 結(jié) 果 與 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 對(duì) 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(shí) 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(chǎng) 的 數(shù) 值 計(jì) 算 是 氣 液 相 間 作 用 的 最 主 要 因 素 ， 對(duì) 霧 滴 的 運(yùn) 動(dòng) 狀 況 影 響 很 大 . 對(duì) 氣 相 而 言 ， 在 速 度 梯 度 較 大 的 區(qū) 域 ， 由 于 強(qiáng) 剪 切 作 用 ， 存 在 較 大 的 湍 能 值 . 反 映 在 數(shù) 值 計(jì) 算 的 結(jié) 果 上 ， 則 顯 示 出 O-r 平 面 上 有 4 個(gè) 峰 值 . 對(duì) 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(shuō) 明 霧 滴 顆 粒 相 存 在 自 身 的 湍 動(dòng) （ 圖 5 、 6 ） . 圖 3 氣 相 軸 向 速 度 對(duì) 比 Fig.3 Axle velocity comparison of gas phase 圖 4 荷 電 霧 滴 軸 向 速 度 對(duì) 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(yàn) 吻 合 較 好 . 這 說(shuō) 明 將 此 模 型 用 于 荷 電 氣 液 兩 相 湍 流 射 流 流 場(chǎng) 預(yù) 測(cè) 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(shè) 計(jì) 及 改 進(jìn) 提 供 理 論 依 據(jù) . 參 考 文 獻(xiàn) （ 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(xué) ， 2002. 2 金 晗 輝 ， 王 軍 鋒 ， 王 澤 ， 等 . 靜 電 噴 霧 研 究 與 應(yīng) 用 綜 述 J . 江 蘇 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ， 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(jì) 算 J . 江 蘇 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ， 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 . 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