喷水室喷嘴内部及喷嘴出口流场数值模拟

    0   引言

    喷水室是中央空调多年来所采用的一种主要的空气热湿处理设备，一直受到空调界的广泛重视。而喷嘴是喷水室的“心脏”，其性能决定着喷水室对空气的热湿处理效果。近来来我国从国外引进和国内仿造或研制生产的喷嘴型号及规格较多，但由于缺乏对喷嘴的雾化机理和性能评价方面系统深入的研究，致使一些研制部门走了许多弯路，使用单位难以判断产品的性能优劣。本文不再依赖模拟软件自带的模型，而是根据喷嘴的工作原理和实际结构构造出的物理模型。

    1  喷水室喷嘴的雾化机理

    本文喷水室所使用是离心喷嘴，物理结构模型如图 1 所示。可以将喷嘴的雾化过程分解成三个连续的过程，即强旋流形成的过程、空心锥膜形成的过程及锥膜?破碎成水滴的过程[1]。旋流的形成过程(旋流效应) 是将喷嘴入口总能量充分?地转化为液流动能的根本保证，也是为下一阶段的雾化过程积极转换和储备能量的准备阶段。旋流程度直接决定着喷嘴的雾化性能。锥膜形成过程的核心问题，是如何形成厚度较薄的膜层，以有利于下一步雾化过程。锥膜破碎过程的关键问题是如何尽量提高空气对水膜的动力不稳定性，增强空气对水膜的扰动，加大水膜与空气之间的相对速度和接触面积，使水膜与空气产生较大的摩擦力。

    2   数学模型的建立

    为了简化计算分析，对研究对象作如下假设：水和固体壁面不发生热传递或发生热传递时能量传递可以忽略不计。在此基础上喷嘴内水流应遵循的方程如下[2]：

     动量守恒方程：

     式中：p 是静压，τij是应力张量，Fi为 t 方向上的外部体积力。

    其中：

    该模型除应遵循上述方程外，还应遵循湍流运动时的湍流动能方程 k 和扩散方程 ξ：

   k 方程：

    式中：C1ξ、C2ξ为常数，σk和 σξ分别是与湍动能 k 和耗散率 ξ 对应的普朗特数。湍流速度 ut由公式确定：

    Cµ为经验常数。在标准 k-ξ 模型中，根据Launder 等的推荐值及后来的实验验证，模型常数的取值为：C1ξ=1.44；C2ξ=1.92；σk =1.0；σξ=1.3；Cµ= 0.09。

    3  FLUENT 数值模型的建立

    这里运用 FLUENT 的前处理器 GAMBIT 建立喷嘴及喷嘴出口外部流场空间的三维结构模型，并对其进行网格划分。如图 2 所示。