双层气雾化喷嘴结构突出高度的数值分析.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 5 3 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 6 ．0 1 3 双层气雾化喷嘴结构突出高度的数值分析 赵小娟，党新安 陕西科技大学机电工程学院，西安7 1 0 0 2 1 摘要采用计算流体软件F l u e n t ，通过对双层气雾化喷嘴气流场、颗粒粒径以及温度场的数值模拟，分析 导液管突出高度对气流场、颗粒粒径以及温度场的影响。结果表明，导液管突出高度为6 r a m 时气流场 结构最优，雾化所得粒径最小。总结气雾化过程中液滴在特殊气流场中破碎的主要过程，为双层气雾化 喷嘴结构设计及机理研究提供一定的借鉴意义。 关键词冶金技术；双层气雾化喷嘴；突出高度；气流场结构；负压区域 中图分类号T G l 2 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 6 0 0 5 3 0 4 S i m u l a t i o no nH e i g h to fD o u b l e - l a y e rA t o m i z e rF e e d i n gT u b e Z H A 0X i a o ju a n ．D A N GX i n a n S h a a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ．X i 7 a n7 1 0 0 2 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to ff e e d i n gt u b eh e i g h to nf l o wf i e l d ，p a r t i c l es i z ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni s i n v e s t i g a t e db yt h es i m u l a t i o no fd o u b l e l a y e ra t o m i z e rw i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i cs o f t w a r eF l u e n t ． A c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，f e e d i n gt u b eh e i g h t6 r a mi st h eo p t i m a lv a l u e ，t h ef l o wf i e l ds t r u c t u r e i so p t i m a la n dt h ep a r t i c l es i z ei st h es m a l l e s t ．T h ep a r t i c l e sb r e a k u pp r o c e s si ss u m m a r i z e di na t o m i z a t i o n b a s e do nt h er e s u l t s ．I ts e r v e sa sar e f e r e n c et od o u b l e - l a y e ra t o m i z e rd e s i g n i n ga n dm e c h a n i s mr e s e a r c h i n g ． K e yw o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；d o u b l e l a y e ra t o m i z e r ；f e e d i n gt u b eh e i g h t ；f l o wf i e l ds t r u c t u r e ； r e c i r E l l l a t i o nz o n e 气体雾化技术是生产金属及合金粉末的主要方 法之一Ex 3 。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、 氧含量低、生产成本低以及适应多种金属及合金粉 末的生产等优点，已成为高性能及特种合金粉末制 备技术的主要发展方向L 2 J 。 随着金属注射成型、金属快速成型、电子表面粘 装等技术的发展，对细微粉体材料的粒度、纯净度、 形貌等方面的性能逐渐提高，进而推动粉体制备技 术朝着窄粒度分布、含氧量低、高效率、低成本的方 向发展。因此，在此领域开展新技术新工艺的研究 及产业化的工作具有广阔的发展前景，对气雾化金 属粉体制备技术的深入研究具有重要的意义[ 3 ] 。 气雾化方法制备粉末，是利用高速气流作用于 熔融液流，使气体动能转化为熔体表面能，进而形成 细小的液滴并凝固成粉末颗粒，其核心部分是喷嘴， 它的主要结构参数有一是目前大量使用的超声速 喷管结构，现已有相应的理论来设计；二是气雾化喷 嘴特有的结构参数，即导液管突出高度，它是影响气 雾化流场结构及颗粒粒径的最重要因素，是气雾化 机理的研究热点。因此基于一组双层气雾化喷嘴结 构，借助F l u e n t 计算流体动力学软件，重点研究分 析导液管突出高度对气雾化流场、颗粒粒径以及温 度场的影响。 1建立双层气雾化数学模型 基于理论分析和实践经验，发明一种新型的制 基金项目陕西省自然科学基金资助项目 2 0 0 5 E 2 1 2 ；陕西省咸阳市科学研究项目 K 0 5 0 9 6 作者简介赵小娟 1 9 8 3 一 ，女，陕西合阳县人，硕士生，主要从事双层气雾化喷嘴结构数值模拟等方面的研究。 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 备金属超微粉体的装置[ 4 ] ，它采用双层雾化喷嘴的 方式，上层采用传统气雾化结构，下层采用拉瓦尔喷 嘴结构，实现了特殊流场的作用效果，如图1 所示。 通过试验发现，该结构气雾化喷嘴制备出的粉体粒 径远远领先于传统结构所制备的粉体，对于实际的 生产，有非常重要的指导意义。 由于整个气雾化装置具有对称性，可采用二维 对称模型结构。在计算中采用粘性两相流的二维定 常守恒N a v i e r S t o k e s 方程，结合湍流K - E 模型来计 算和模拟颗粒的运动以及颗粒粒径变化情况，两相耦 合计算采用P S I C P a r t i c l eS o u r c eI nC e l l 方法。 通过试验发现，主要雾化区域集中在喷嘴出口 高度为l O O m m 的范围内，所以将计算模型中的雾 化区域缩小到l O O m m x5 0 m m 。重力加速度方向为 X 轴正方向。气体从气流人口1 和流人口2 两个入 口进入到雾化喷嘴中，上下层喷嘴入口介质均采用 空气，同时给定计算区域的出口边界条件为标准大 气压，从而建立双层气雾化计算模型，如图2 所示。 求解的基本过程是以速度、压力和体积分数等 原始函数为求解变量，基于有限体积法对上述二维 定常守恒型N a v i e r S t o k e s 方程组进行空间离散，在 空间离散时方程组各项均采用一阶迎风格式。先计 算气相初场，再根据气相结果，计算出气相对液滴的 作用力，获得积分液滴的运动轨迹，然后计算液滴对 气相的作用源项，再重新计算液滴作用的气相流场， 获得积分液滴轨迹，如此反复计算，直到两相流场达 到稳定。 1 一塞杆；2 ～盖子；3 一加热包；4 一熔液腔；5 一石墨垫片 6 一掺杂粉体腔；7 一惰性气体腔；8 一支撑板；9 一导液管 图l 雾化装置结构图 F i g ．1 A t o m i z a t i o ne q u i p m e n t 2 模拟结果及分析 通过前期的试验发现，双层气雾化喷嘴结构的 图2 双层气雾化喷嘴的计算模型及边界条件 F i g ．2 C F Dm o d e la n db o u n d a r y c o n d i t i o n so fd o u b l ea t o m i z e r 突出高度是影响雾化颗粒粒径及喷口堵塞现象的重 要因素，以下模拟突出高度对气流场结构、颗粒粒径 以及温度场分布的影响，来初步研究双层气雾化过 程的特殊机理。 2 ．1 导液管突出高度对气雾化流场的影响 通过分析气雾化流场可知，突出高度对负压的 形成起主要的作用，而负压区域的范围及压力差的 大小等因素是评定气雾化流场的重要因素。 3 ． S t a t i c 2 ． P r e s s u r e p a s c a l 1 ． 1 ． 一1 ． 蘩≥菇毫矗溉穗黜 00 ．0 0 50 ．0 l0 ．0 1 50 ．0 2O ． 1 2 50 ．0 30 ．0 3 50 ．0 4 P o s i t i o n ／m 图3 不同导液管突出高度时对称轴上 的压力曲线图 F i g ．3 E f f e c to ff e e d i n gt u b eh e i g h to ng a s p r e s s u r ea l o n gs y m m e t r ya x i s 导液管突出高度t 分别为4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 r a m 时其气流场对称轴上的压力变化如图3 所示。以金 属液出口处为坐标原点，压力变化较大的区域大约 在O ～4 0 m m 范围内，该范围是发生雾化的主要区 域。由于气雾化结构对气流的作用，使得导液管出 口处附近产生负压。从图3 可以看出，负压极值大 约在导液管出口处l O m m 范围内，而下层气流的进 入加剧了负压的形成。随着突出高度的增加，负压 区域突然扩大，突出高度为6 m m 时，负压区最大， 延伸到下层喷嘴的出气口处。突出高度的进一步增 大，雾化区域均在约为导液管直径大小的范围内变 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 5 5 化，负压区几乎没有变化。从图3 还可看出，在突出 高度为5 m m 时，压力差最大，随着突出高度的增 加，压力差逐渐减小。 2 ．2 导液管突出高度对颗粒粒径的影响 在气流场模型计算结果基础上，添加第二相 模 拟中采用焊锡金属液 ，研究口1 表明雾化液滴出现在 第一次雾化后直径是熔体管直径1 0 ％～1 0 0 ％，所 以，导液管内径4 m m ，雾化液滴初始粒径设为 l m m ，雾化液滴温度4 9 0 K 。在计算域中，采用拉格 朗E l 坐标系下液滴作用力微分方程求解液相的液滴 轨迹，同时采用N a v i e r S t o k e s 等式描述液相对连续 相气流的影响作用。 假设液体喷雾为若干有质量的微粒，同时考虑 在液体和气体之间存在热和动力的交换，模拟出突 出高度影响颗粒平均粒径的变化图，如图4 所示。 1．／人、 | j ／ ＼ ＼／ ＼／ ＼ 4567891 0 导液管突出高度／m m 图4 导液管突出高度对粒径的影响 F i g ．4 E f f e c to ff e e d i n gt u b eh e i g h t o np o w e rd i a m e t e r 从图4 可以看出，导液管突出高度为6 m m 时雾 化效果最好，所得粉体粒径最小。根据图3 分析可 知，突出高度5 m m 时压力差最大，但通过模拟颗粒 粒径发现，突出高度在5 m m 时，所得颗粒粒径与突 出高度为4 ，7 ，8 ，9 ，1 0 m m 的结果相差不大，但在 6 m m 处有一个突变，粒径明显降低，从而得出，突出 高度对颗粒粒径的影响主要表现在气雾化流场结 构，较好的流场结构所产生的作用远大于压力差对 颗粒粒径的影响。金属粉体小粒径的获得，一方面 是出口处遇到气流冲击作用，在出口处，气流通过拉 瓦尔喷嘴结构的压缩、膨胀，气流速度大大提高，动 量增大，气流的动量使得金属液破碎，即发生一次雾 化。另一方面，气体流场的结构以及温度场对冲击 后的较小金属液滴的作用 即二次雾化 进人流场 后，气流的作用使得流场并非直线向前，回流区的存 在，增加了金属液的再次参加破碎的几率。通过模 拟发现，二次雾化是液滴破碎获得较小粒径的主要 途径。 2 ．3 温度场的模拟 从图5 可以看出，由于气流的作用，小液滴都流 向了中心区域，在出口处由于二次雾化都变为了极 其微小的微粒。这说明在经历连续的分解后，所有 的液滴尺寸都变小了。 当突出高度为5 r a m 时，液滴几乎都是在对称 轴线附件发生二次破碎。由流场模拟可知，由于金 属潜热的存在，在计算区域内液滴温度高于凝固点， 高度为5 m m 时压力差最大，但雾化区域最小，故液 滴的主要破碎发生在回流区以外区域。 当在突出高度为7 ～8 m m 时，回流区相较5 m m 时稍有扩大，液滴的破碎区域相应增大，位于外层 相对于中心轴来说，中心轴处为雾化塔的中心 的 液滴粒径首先发生冷却凝固，粒径稍大的液滴随流 场继续向下游流动，满足破碎条件后再次碰撞破碎， 根据动量守恒原则，破碎后的更小的液滴速度方向 发生改变，流向流场外层的液滴发生凝固，此颗粒粒 径不再改变，依次递推，直至所有粒径温度降至凝固 点以下雾化完成。 在导液管出口处，颗粒粒径、温度变化范围非常 大，并伴随着颗粒的连续分裂和粘连。在液滴达到 停滞点前，温度及粒径都在一个较大的范围内无规 律变化，停滞点后，由于流场结构的影响，温度的变 化趋于稳定．在一定时间内，液滴的温度趋于一个 恒定值，此阶段均为二次雾化阶段，随后，液滴进一 步破碎变小，小的液滴继续随气流流动，当金属粒子 释放的潜热不足以抵消环境温度时，粒子发生凝固， 颗粒粒径稳定。 当突出高度为6 m m 的气体流场结构是最佳的 一组状态，从温度场可以看出，此结构下的液滴温度 变化非常急剧，在很小的范围内就已经达到凝固点， 所有的雾化几乎都发生在很小的时间内，图6 是突 出高度为6 r a m 时液滴温度与粒径随时间的变化 图，在0 ．1 2 3 8 6 6 p m 时几乎所有的液滴都达到凝固 点，此后，液滴粒径基本固定，此结构下的温度场变 化真正体现了快速冷却技术的精髓。由于大量的粒 子同时发生碰撞破碎而迅速的冷却，所以，此时获得 的颗粒粒径分布范围较大。 在雾化过程中，由于金属潜热的存在，粒子始终 能保持较高的雾化温度，直至液滴粒径非常小。突 出高度对雾化液滴温度的影响如图5 所示。当突出 S 2 5 l 5 0 2 l 0 E毒q娶辅甏 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年6 期 图5 不同导液管突出高度对粒子 温度场的影响 F i g ．5 P a r t i c l et e m p e r a t u r et r a c k sw i t h d i f f e r e n tf e e d i n gt u b eh e i g h t 高度为4 r a m 时，由于激波的存在，金属液滴在出口 处附件发生初次破碎，然后由于气流的作用，液滴流 向中心，发生再次碰撞破碎，碰撞使得更小的金属液 滴再次发散，激波的存在使得小的液滴发生多次雾 化，由于金属潜热的存在，随着流场的前进，虽然温 度降低，但在计算流场中，金属液滴一直处于熔融状 态，但由于激波的存在，能量消耗非常大，所以所得 颗粒也比较迅速的冷却，碰撞破碎几率小，粒子粒径 稍大。 从图6 可以看出，当突出高度6 r a m 时，其温度 场有非常明显的不同，温度场在非常小的范围内发 生快速冷却，其液滴也在很小的范围内迅速发生雾 化，与其他组结果不同，液滴的破碎发生在距离对称 轴中心稍远位置，液滴几乎是在一个瞬间发生毁灭 性的爆破，所有粒子即在这一瞬间重复多次雾化，瞬 间达到较小的颗粒粒径，瞬间凝固。在0 ．1 2 3 8 6 6 弘s 时粒子几乎就发生完全雾化，然后温度骤降，也从此 刻起粒子开始凝固，粒径趋于稳定。此结构需要的 冷却高度最小。 采用试验中的一组喷嘴结构进行模拟，上层内 侧角2 0 。，下层4 0 。，上层压力0 ．7 M P a 、下层压力 0 ．4 M P a 、突出高度4 m m [ 对，模拟所得颗粒平均粒 图6突出高度为6 m m 时粒子粒径及 温度随时间的变化 F i g ．6 E f f e c to ft i m eo np a r t i c l ed i a m e t e ra n d t e m p e r a t u r ew i t hf e e d i n gt u b eh e i g h t6 m m 径1 ．0 6 8 4 0 9 P m ，试验所得粒径为1 ．7 6 灶m 。由于计 算模型本身的误差、破碎及两相流模型的误差限制， 计算结果与试验结果基本一致，且模拟趋势及雾化 过程的分析对于合理的设计双层气雾化喷嘴结构有 一定的借鉴意义。 3结论 通过对气流场、温度场以及颗粒粒径的模拟分 析，发现颗粒小粒径的获得主要在气流场中的二次 破碎阶段，而导液管突出高度对气雾化流场的结构 以及温度场的分布影响非常大，进而影响雾化颗粒 粒径的大小。模拟的结构中，当突出高度为6 r a m 时，气流场的负压区域最大，液滴冷却速度最大，粒 径最小，此结构参数下，制备的超微金属粉体最优。 参考文献 [ 1 ] 陈仕奇，黄伯云．金属粉末气雾化制备技术的研究现状 与进展[ J ] ．粉末冶金材料科学与工程，2 0 0 3 。8 3 2 0 l 一2 0 7 ． [ 2 ] 欧阳鸿武，陈欣，余文焘，等．气雾化制粉技术发展 历程及展望[ J ] ．粉末冶金技术，2 0 0 7 ，2 5 1 5 3 5 8 ． [ 3 ] 张立德．超微粉体制备与应用技术[ M ] ．北京中国石 化出版社，2 0 0 1 1 4 ． [ 4 ] 党新安，梁荣，刘星辉，等．一种制备金属超微粉体 的装置及其方法中国专利，2 0 0 6 1 0 1 0 5 0 1 8 ．3 [ P ] ． 2 0 0 7 2 1 4 ． E 5 ] M a r k u sS ，F r i t s c h i n gU ，B a u c k h a g eK ．J e tb r e a ku po f l i q u i dm e t a l si n t w i nf l u i da t o m i z a t i o n [ J ] ．M a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，2 0 0 2 ，3 2 6 1 1 2 2 1 3 3 ． 万方数据