张有志，郭炜舟，孙孝华，史纪飞，薛景辉，王亮

(1.中天合创能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯市 152600；2.山东科技大学，机械电子工程学院，山东 青岛市 266590)

*基金项目：中国博士后科学基金项目(2016M602163)；中天合创能源有限责任公司安全研发基金项目(ZTMT-2020-02-0862).

0 引言

伴随5G 时代的到来，煤矿机械化、自动化作业程度不断提高，煤矿开采量也在不断加大，随之而来的是开采、运输过程中的尘污染加剧，已经产生了严重的生产安全和人身健康问题[1-5]。目前矿井下还是以湿式喷雾降尘为主，喷嘴作为主要的喷雾部件也在不断发展，其喷雾性能直接影响着降尘效率[6-9]。陈明等[10]建立了矿用X 旋流压力喷嘴雾滴预测模型，采用正交实验方法得出了喷嘴雾滴速度与各影响因素之间的作用规律；温禄淳、赵亦男等[11-12]设计了一种结合自激振荡的高效雾化喷嘴，通过数值仿真方法，对其内部碰撞壁角度进行研究，确定60°～70°为最优碰撞壁角度；李洪喜等[13]利用哈特曼流体声波发生器原理,建立超声激振喷嘴雾化模型，利用CFD 流体动力学仿真软件模拟喷嘴内部的流场，确定了喷距L=1 mm，碰撞壁角度0°时超声激振喷嘴雾化效果最好。

本文通过流体动力学仿真软件FLUENT 对一种矿用的自激振荡喷嘴内部结构进行仿真研究，主要研究其喷嘴振荡、腔内的射流嘴长度、射流嘴长径比以及喷嘴入射口直径对喷嘴整体内部流场及雾化效果的影响。

1 模型构建

1.1 物理模型构建

自激振动喷嘴是一种靠自身结构不需要另加激振源的新型流体动力式雾化喷嘴，整体是轴对称结构，主要由入射口、碰撞壁、斜壁、射流嘴、腔室几个重要部分组成，每个结构的参数都会对喷嘴雾化效果产生影响[13]。运用Soildwork 绘图软件对喷嘴进行平面绘图，其二维平面结构模型见图1。

图1 自激振喷嘴二维模型

1.2 喷嘴数学模型构建

喷嘴的工作介质是水，作为不可压缩流体，遵循质量守恒定律、动量守恒定律，一般用连续性方程和动量方程进行描述[9-10]。自激振喷嘴腔内会产生漩涡和压力梯度，对于模拟有漩涡和压力梯度的复杂流动模型，标准的k-ε 模型会有缺陷，为提高仿真结果的准确度，此次仿真选取k-εRNG 模型，该模型考虑了湍流漩涡，其可靠性好、效率高，同时还提高了计算精度[11]。

连续性方程：

式中，ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；ui为流体运动速度，m/s；xi为位移，m。

N-S 动量守恒方程：

式中，p为静压，Pa；vi为速度分量，m/s。

k-ε RNG 湍流方程：

式中，Gk为平均速度梯度引起的湍流动能；ε为湍动耗散率；C1ε、C2ε为常数，C1ε=1.43；C2ε=1.78；αk、αε为有效普朗特数的倒数，αk=1.0；αε=1.4。

2 FLUENT 模拟仿真

2.1 计算域网格划分

将绘制好的喷嘴计算域模型导入Workbench 中的Meshing 网格划分模块进行面网格划分，对射流口局部进行加密处理，划分好的网格数为9765 个左右，节点数为10118 个左右，如图2 所示，总体网格质量均在0.85 以上，完全符合计算模拟要求。

图2 计算域网格划分

2.2 边界条件设定

将划分好的网格导入到流体仿真软件FLUENT 进行边界条件设置，将入射口设置为压力入口，将喷嘴两边的喷出口设置为标准大气压出口，其压力为101 325 Pa，其余壁面全部设置为标准壁面；压力入口和压力出口湍流强度分别设置为3.5%、4%；水力直径分别设置为0.45 mm、0.2 mm。求解方法见表1。

表1 求解方法

3 仿真及结果分析

边界条件设定完成后进行仿真计算，将仿真结果导入到CFD-Post 中进行后处理，得到激振喷嘴腔内速度云图以及压力分布云图，分别如图3、图4、图5 所示。由图3 可以看出，当水流从射流口喷出后，水流直接射向碰撞壁，当水流与碰撞壁发生撞击后，一部分水流发生反射，与射流口高速水流碰撞产生振动，当振动频率很大时，便产生了超声波[14-15]，水粒由于撞击和超声波的双重影响，不断破碎成更小的雾滴颗粒。另一部分水流沿着壁面向上、向下运动，在喷嘴腔室内产生充满腔室的涡旋，由于涡旋的产生会加大腔室内水流的湍流扰动，湍流扰动的加大进一步增加了喷嘴的雾化效果。由图3、图4 可以看出，水流从射流口射出后，水流的速度迅速增加，与碰撞壁碰撞后，速度降低产生涡旋，速度成层状分布，沿着壁面速度较高，但涡旋的环形向内速度呈现降低趋势。由图5 可以看出，由于涡旋的存在，涡旋中心压力明显比外圈压力小，这种压力差会使水分子间的作用力被破坏，进一步增强水颗粒的雾化效果。

图3 速度矢量云图

图4 速度分布云图

图5 压力分布云图

3.1 射流嘴长度对雾化的影响

喷嘴内部每一个结构对喷嘴的整体雾化都会有影响，为研究喷嘴腔内射流嘴长度对雾化的影响，分别选择了1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、4 mm 共6 组射流嘴长度进行仿真，得到了不同压力下、不同长度的射流嘴、喷嘴腔内最大湍流动能的变化趋势，如图6 所示。

图6 射流嘴不同长度下的最大湍流动变化趋势

由图6 可以看出，入口压力对于腔内湍流动能影响较大，入口压力每增加1 MPa，湍流动能会相应增大20 m2/s2左右；同时在同一压力下，随着射流嘴长度的增加，最大湍流动能呈现先增加后下降的趋势，射流嘴长度为1.5 mm 时，湍流动能达到最大，雾化效果达到最优。

3.2 射流嘴长径比对雾化的影响

固定选取射流嘴为1.5 mm，入口压力为6 MPa，分别对射流嘴长径比为1，1.5，2 的喷嘴进行仿真模拟，分别得到各自的腔内湍流动能强度云图，如图7 所示。

图7 不同长径比腔内湍流动能云图

由图7 可以看出，长径比增加，最大湍流动能也随之增加，长径比为1，最大湍流动能为74.73 m2/s2，当长径比为1.5 时，最大湍流动能会激增到108.5 m2/s2，当长径比为2 时，最大湍流动能相比于长径比为1.5 时变化仅有1.7 m2/s2，因此，长径比尽量大于1.5，这样湍流动能大，湍流效果好，雾化效率高。

3.3 入射口直径对雾化的影响

为探究入射口直径对雾化的影响，在保持射流嘴长度为1.5 mm、长径比为2、入射口压力为6 MPa不变情况下，分别选取6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm 作为入射口直径进行模拟仿真，得到不同直径下，腔内湍流强度和出口速度变化趋势如图8所示。

图8 不同入射口直径下速度与湍流动能

由图8 可以看出，随着入射口直径的增大，出口速度和湍流动能都产生了明显的减小趋势，在入射口直径为10 mm 以下时，湍流动能和出口速度下降趋势较为平缓，入射口直径为10 mm 到12 mm时，出口速度发生骤减，变化幅度超过20 m/s，因此为保持雾化效果，尽量选取8～10 mm 的入射口直径。

4 结论

（1）自激振荡喷嘴腔内部的湍流动能受入射口压力影响较大，在实际应用时尽量结合实际情况选择6 MPa 以上的压力作为入射水压。同时随着射流嘴的长度增加，腔内湍流动能会出现先增加后降低的趋势，同一压力下湍流动能最大值出现在射流嘴长度为1.5 mm 处，因此射流嘴长度为1.5 mm 时，雾化效果最好。

（2）射流嘴长度和水压一定时，射流嘴的长径比对雾化效果有较大影响，随着长径比的增加，湍流动能不断增大，当长径比大于1.5 时，湍流效果、雾化效果明显优于长径比小于1 的喷嘴，实际应用时应尽量选取长径比为1.5～2。

（3）喷嘴的水流入射口直径对自激振荡喷嘴的腔内湍流强度以及喷嘴出口的最大速度有较为明显的影响，随着入射口直径增加，湍流动能以及出口速度都会降低，尤其对出口速度影响最为明显。综合考虑湍流动能和出口速度的影响，尽量选取8～10 mm 的入射口直径，以达到最优的雾化效果。