霧化破碎
關注創建者：良人無夢 創建時間：2019-04-21
霧化破碎的視頻教程
利用CONVERGE軟件建立噴嘴的歐拉-拉格朗日計算模型
課程詳細講解了如何利用converge軟件建立噴嘴的歐拉-拉格朗日模型，即ELSA計算模型，不必使用噴霧映射功能即可較精確的模擬噴嘴內流及噴霧的詳細破碎及霧化過程。該課程也適合需要對各種壓力下液體射流進行模擬的人員。
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霧化破碎的實例教程
圖7 基于SST k-ω框架的VLES、LES及RNG k-ε湍流模型計算結果與試驗結果的比對
圖8 不同湍流模型下噴嘴流量系數及孔內蒸汽相體積分布的對比
（4）渦線空化對噴霧霧化的影響
試驗中采用了2孔噴嘴，對于實際8孔噴嘴利用前述驗證后的高精度噴嘴內流耦合近場噴霧的大渦模擬模型針對圓柱孔和錐度孔噴嘴開展對比分析，如圖8和圖9所示，中截面上的內流和噴霧計算結果發現錐度孔噴嘴抑制壁面空化，圓柱孔噴嘴空化延伸出噴孔，但反倒是錐度孔噴嘴近場噴霧錐角及霧化破碎更好，這正是因為錐度孔加速了孔內流體旋渦運動，在近噴孔出口出現渦線空化所致，得出：渦線空化比壁面空化在強化噴霧方面會有更大貢獻的重要結論。
展開 由圖4 可見，噴霧軸向速度隨軸向長度近似呈指數規律降低，在軸向0.05m 長度之內衰減至低速穩定區域（速度低于3m/s），霧化完全；并在冷凝溫度50℃，過冷度4℃，蒸發溫度在5℃ 到15℃ 的變化范圍內，隨蒸發溫度升高，速度衰減加快，如圖5。在蒸發溫度10℃，過冷度4℃ 時，冷凝溫度在45℃到55℃ 的計算范圍內，隨冷凝溫度升高，速度衰減減緩，當冷凝溫度55℃ 時，速度衰減至3m/s 以內，需要0.07m 左右的軸向長度，增加了40%，很顯然速度衰減減弱，容易產生液滴速度過快而沖擊壁面的現象。圖6 為冷凝溫度50℃，蒸發溫度10℃ 時，過冷度對噴霧軸向速度影響的計算結果，不難發現，相較于蒸發溫度和冷凝溫度，不同過冷度情況下軸向速度衰減曲線變化很小，說明過冷度對軸向速度的影響基本可以忽略。不難發現冷凝溫度對流量及軸向速度衰減的影響相較于蒸發溫度和過冷度要更大，而軸向速度變化導致的制冷劑霧化破碎長度的改變與霧化腔的尺寸和霧化的分液特性密切相關，下文進一步分析。
展開 數學模型及工況
采用非穩態方法模擬射流在橫向氣流中的霧化過程。
湍流模型和界面捕捉是研究射流破碎和霧化的關鍵。湍流模型能有效描述流態湍流狀態；界面捕捉方法可以有效捕捉精細的破碎霧化結構，尤其是一次霧化及液體結構的復雜運動，并獲得霧化發展過程。本案例采用超大渦（V-LES）湍流模型和Level Set界面捕捉方法。
超大渦（V-LES）湍流模型
超大渦模擬（V-LES）與大渦模擬（LES）的區別在于超大渦模擬（V-LES）的過濾尺度不再是網格尺度，而是介于網格尺度和宏觀尺度（如管道直徑）之間的一個值。當過濾尺度大于網格尺度時，超大渦模擬（V-LES）與雷諾時均（RANS）模型近似；當過濾尺度接近網格尺度時，超大渦模擬（V-LES）近似大渦模擬（LES）。
展開 結果表明，此結構的氣霧化初始破碎合金熔體先后經歷液柱波動、橫向成膜以及液膜破碎過程(圖5)，其中液膜擴展距離與導流管外徑相當，與霧化氣流的接觸面積相對傳統結構霧化器較大[30]，有利于提高霧化效率。利用三維大渦模擬(large eddy simulation)和顯示VOF兩相流模擬結合的方法對初始霧化產生的單個大液滴進行二次霧化(secondary atomization)研究。結果表明，隨Weber數增大，液滴破碎從剪切破碎逐漸轉變為爆炸式破碎方式，破碎產生的液滴尺寸有明顯的減小(圖5)。
2.1.3 粒子分散與分離模擬充分破碎的合金液滴在霧化爐內受到氣流曳力、慣性力、重力等合力的影響，以一定的速度矢量分散運動，并與介質氣流發生強烈的熱交換，快速凝固成粉末顆粒。本課題組利用非定常離散粒子模型(unsteady discrete particle model)對150 萬顆Rosin-Rammler 分布的粉末顆粒進行軌跡追蹤。結果顯示，不同粒徑的粉末顆粒在不同水平截面分布不同，較粗顆粒主要集中在霧化錐外側，而較細的顆粒則主要分布在霧化錐內部，霧化錐分散角度和實際拍攝的金屬霧化錐角度基本吻合(圖6)。
展開 在該方法中，假定不需要詳細描述噴霧的主破碎區內的霧化和破碎過程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動誘導，進行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據經驗關系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設置，是此過程中的默認噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級和納米級的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數可驗證模型中的粉末粒度分布。假設顆粒對氣體性質沒有明顯影響，氣體和液體之間的能量和質量傳遞使用雙向耦合，而在模擬從氣體到固體顆粒的熱和動能傳遞時使用單向耦合。
HVSFS過程的理論與模擬
HVSFS熱噴涂過程的數值模擬是一個具有挑戰性的多學科問題。其物理過程包括兩相燃燒、液滴蒸發、湍流、可壓縮流體、多組分、多相相互作用、亞音速/超音速轉變、液滴變形和凝固。傳統HVOF工藝的模擬結果表明，單一納米級顆粒不適合使用標準HVOF系統進行處理，因此需要有機溶液作為載體液體，以在噴qiang中實現連續、穩定的顆粒輸送和加速。用于納米顆粒加工的傳統HVOF噴涂的應用包括將納米結構化粉末與有機溶劑(例如乙醇或異丙醇)混合以獲得如上所述的懸浮液，該懸浮液可被注入HVOF燃燒室以形成單個液滴，該液滴將在加熱和加速期間在飛行中干燥并釋放納米級粉末。
2.1 幾何建模和工藝參數
HVSFS過程的幾何設計是基于由燃燒室和收斂直膨脹噴嘴組成的TopGun—G torch完成的。早期工作中也使用相同的幾何模型來模擬HVOF過程 。在作為預混的氧/燃料混合物進入燃燒室之前，燃料氣體(此處為丙烷)和氧氣分別通過各種小通道噴射到混合室或混合箱中。HVOF和HVSFS工藝的主要區別在于涂層材料的制備和加工。
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2.1.2 熔體破碎模擬本課題組采用二維隱式VOF (volume of fraction)兩相流模型對合金熔體氣霧化初始破碎過程(primary atomization)進行模擬分析。結果表明，此結構的氣霧化初始破碎合金熔體先后經歷液柱波動、橫向成膜以及液膜破碎過程(圖5)，其中液膜擴展距離與導流管外徑相當，與霧化氣流的接觸面積相對傳統結構霧化器較大[30]，有利于提高霧化效率。
湍流模型和界面捕捉是研究射流破碎和霧化的關鍵。湍流模型能有效描述流態湍流狀態；界面捕捉方法可以有效捕捉精細的破碎霧化結構，尤其是一次霧化及液體結構的復雜運動，并獲得霧化發展過程。
（4）渦線空化對噴霧霧化的影響
試驗中采用了2孔噴嘴，對于實際8孔噴嘴利用前述驗證后的高精度噴嘴內流耦合近場噴霧的大渦模擬模型針對圓柱孔和錐度孔噴嘴開展對比分析，如圖8和圖9所示，中截面上的內流和噴霧計算結果發現錐度孔噴嘴抑制壁面空化，圓柱孔噴嘴空化延伸出噴孔，但反倒是錐度孔噴嘴近場噴霧錐角及霧化破碎更好
不難發現冷凝溫度對流量及軸向速度衰減的影響相較于蒸發溫度和過冷度要更大，而軸向速度變化導致的制冷劑霧化破碎長度的改變與霧化腔的尺寸和霧化的分液特性密切相關，下文進一步分析。
在該方法中，假定不需要詳細描述噴霧的主破碎區內的霧化和破碎過程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動誘導，進行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據經驗關系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設置，是此過程中的默認噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級和納米級的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數可驗證模型中的粉末粒度分布。
在該方法中，假定不需要詳細描述噴霧的主破碎區內的霧化和破碎過程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動誘導，進行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據經驗關系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設置，是此過程中的默認噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級和納米級的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數可驗證模型中的粉末粒度分布。
相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規則狀, 導致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質水接觸后會發生反應, 增加粉末氧含量, 這些問題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。
1.1.2 氣霧化
氣霧化的原理是通過高速氣流將液態金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過程。
