采用Ansys Fluent 軟件并基于Schnerr 與Sauer 空化模型, 對出口壓力小于10 Pa 平口噴嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)進(jìn)行了模擬, 研究了噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內(nèi)部蒸汽體積和湍動(dòng)能分布的影響。結(jié)果表明, 高噴射壓力( 10 MPa) 對噴嘴內(nèi)部蒸汽體積的作用減弱, 噴射壓力為10 MPa 時(shí), 噴嘴出口徑向上的蒸汽體積大于其它噴射壓力下的蒸汽體積, 可獲得較好的空化效果; 噴嘴內(nèi)的湍動(dòng)能隨噴射壓力的增加而增加; 噴嘴直徑對噴嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)有很大的影響, 噴嘴直徑越小所產(chǎn)生的空化流動(dòng)越強(qiáng)烈, 對比其它直徑的噴嘴, 直徑為0.1 mm 的噴嘴在出口處的蒸汽體積和湍動(dòng)能較大, 有助于霧化質(zhì)量的提高。

　　隨著納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展, 聚合物有機(jī)納米功能薄膜, 因其質(zhì)量輕、柔韌性好及易于加工等特點(diǎn)已在工業(yè)、醫(yī)用及科技領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。納米技術(shù)與液相材料工藝結(jié)合日漸緊密, 基于溶液制備聚合物薄膜的方法主要有旋涂法、噴墨打印法和溶膠-凝膠法( so-l gel) 等, 而真空噴霧法作為制備聚合物薄膜較為新型的方法, 以其成膜致密、膜厚均勻可控及雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。近年來, Mo 等通過真空噴射法制備了聚碳酸酯( -t Bu) 4CuPc) 、聚乙烯MEH-PPV 和PMMA 等聚合物有機(jī)納米功能薄膜, 并研究了所制備薄膜的形貌與光電特性。為獲得光滑致密的聚合物薄膜以便對其性能進(jìn)行表征, 對噴嘴噴射流場進(jìn)行了大量的研究, 發(fā)現(xiàn)噴嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)是影響噴霧特性的重要因素, 其在噴嘴內(nèi)引起的紊亂對霧化效果造成的影響遠(yuǎn)大于噴嘴外部空氣的影響, 空化湍流流動(dòng)在一定程度上會(huì)促進(jìn)霧化效果的提高; 同時(shí),低出口壓力有助于噴嘴內(nèi)空化流動(dòng)的形成, 并進(jìn)一步提高霧化效果。

　　在真空噴射法制備聚合物薄膜過程中, 噴嘴直徑一般只有零點(diǎn)幾毫米甚至幾十微米, 流體通過噴嘴的流速較高, 噴射持續(xù)時(shí)間很短, 且存在高湍流強(qiáng)度及氣液兩相流的復(fù)雜性, 使得很難直接觀測和測量噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài), 因此對噴嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)進(jìn)行多維數(shù)值模擬成為一種有效的研究手段。前期的模擬分析發(fā)現(xiàn), 當(dāng)出口壓力低于0. 1MPa 時(shí), 其對噴嘴內(nèi)部的空化流動(dòng)影響很小,在相關(guān)文獻(xiàn)中, 真空噴射法制備聚合物納米薄膜研究所設(shè)定的真空室真空度一般小于《10 Pa, 且有關(guān)低壓下噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)過程的研究鮮有報(bào)道。本文以真空噴射法制備聚合物薄膜為出發(fā)點(diǎn), 利用Ansys Fluent 和Gambit 軟件對低壓力( 10 Pa) 下平口噴嘴內(nèi)的空化流動(dòng)進(jìn)行了模擬分析, 研究了不同噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內(nèi)部的蒸汽體積分?jǐn)?shù)和湍動(dòng)能( turbulent kinetic energy,TKE) 分布的影響, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為這對噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噴射參數(shù)設(shè)定具有實(shí)際的指導(dǎo)作用。

　　幾何模型及邊界條件

　　噴嘴是噴射系統(tǒng)中重要的組成部件, 本文選用Suh 等研究的平口噴嘴, 它是機(jī)械霧化直射式噴嘴中的最簡單的一種壓力噴嘴, 其研究具有廣泛代表性。平口噴嘴的幾何尺寸和邊界條件如圖1 所示, 噴嘴入口銳邊, 入口直徑D 和噴孔長度L 分別為0.8 mm 和1 mm, 出口直徑d 初步設(shè)置為0.2mm; 噴嘴入口和出口分別采用壓力入口和出口邊界條件, 計(jì)算域四壁均為Wall, 近似無滑移。為減少計(jì)算量, 利用Gambit 軟件將噴嘴內(nèi)部空化區(qū)域的模擬計(jì)算簡化為二維軸對稱問題, 網(wǎng)格在靠近軸線和壁面附近處加密。

圖1 平口噴嘴的幾何尺寸和邊界條件

　　本文利用Gambit 軟件建立了平口噴嘴模型, 并基于Ansys Fluent 軟件中的Schnerr 與Sauer 空化模型對低出口壓力( < 10 Pa) 平口噴嘴內(nèi)的空化流動(dòng)進(jìn)行了模擬, 研究了噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內(nèi)蒸汽體積和湍動(dòng)能分布的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 低噴射壓力( < 10 MPa) 對噴嘴內(nèi)的空化流動(dòng)影響很大, 而當(dāng)噴射壓力大于10 MPa 時(shí), 噴射壓力對空化流動(dòng)的作用不明顯; 在10 MPa 時(shí), 噴嘴內(nèi)空化層延伸至噴嘴出口, 形成完全空化流, 出口徑向上的蒸汽體積大于其它噴射壓力下的蒸汽體積, 可獲得良好的空化流動(dòng); 隨著噴射壓力的增加, 流體在噴嘴入口截面處產(chǎn)生高速的流動(dòng)速率, 并在壁面處附近形成很大的擾動(dòng)動(dòng)能, 噴嘴內(nèi)湍動(dòng)能增加; 噴嘴直徑是影響噴嘴內(nèi)部空化流動(dòng)的重要因素, 噴嘴直徑越小, 流體在流經(jīng)噴嘴入口截面處的流速增加會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化流動(dòng), 對比其它直徑的噴嘴, 直徑為0.1 mm 的噴嘴在出口處的蒸汽體積和湍動(dòng)能較大, 有助于霧化質(zhì)量的提高。