FLUENT水雾蒸发过程仿真案例

1 前言

水的雾化通常有两种手段，一种是直接将水通入喷头，由极小的喷口将水射流雾化，这种需要较大流量，在施工场所很常见，当水流量小的时候可考虑通过和气流一起进入喷嘴实现雾化；另一种是通过高速气流将水滴剪切雾化。水雾化后再进行高温蒸汽制备是一个很好的手段，今天，我们做一个水雾化蒸发的案例。

2建模与网格

假设有个Φ0.5mm的喷嘴，甲烷气体和水一起经过喷口实现雾化，之后进入一个高温的蒸发腔，腔体直径Φ30mm，长度40mm，随后进入直径Φ17mm的外接管道进入下一个工艺。网格节点数约7万，最小正交质量0.65。

3 求解设置

开启能量方程。

启用标准k-e湍流模型，加强型近壁处理。

启用组分输运模型，物性方法采用默认。

修改组分为甲烷和水蒸气（H2O），可从软件自带材料库中拷贝到混合物中。

开启离散相模型，并进行如下设置，将离散相设置为液滴型。

创建一个喷射器，位置为喷孔出口，这里假设水已被上游气体雾化完了，并且水滴的直径为1e-6m，然后和射流气流一起喷入蒸发腔。喷孔出口流速约为102.778m/s，面积3.85e-7m²，液滴密度998.2kg/m³（水滴），流量为0.0001kg/s，因此离散相的体积分数约为0.25%，采用DPM模型是合适的，因为采用DPM模型时，离散相在计算域中的体积分数最好小于10-12%。

设置速度入口边界，组分全为甲烷CH4，温度26.85℃，DPM边界为逃逸。

出口为压力边界，DPM边界为逃逸，即未蒸发的水滴颗粒将流出计算域出口。

所有壁面设置为恒温边界，温度200℃，DPM边界为捕捉。

求解方法采用如下设置，本案例采用SIMPLE算法收敛性很差，另外，离散相计算时可考虑减小亚松驰因子来提供收敛性。

设置几个监视器，监测出口流量、净功率和出口水蒸气摩尔分数，从多方面判断收敛情况。

采用以下初值进行初始化。

采用瞬态求解，时间步长0.001s，单个步长最大迭代次数40。

4计算结果

首先，我们检查一下三个监视器的监测结果，可以看出经过1.8s左右基本达到了稳态。

再看一下中心的速度变化，可以看到喷口位置速度最大，进入蒸发腔后迅速衰减。

接着看一下温度分布和液滴蒸发率，壁面附近温度最高，蒸发率较大的位置也靠近壁面。

接着看一下液滴的轨迹，主要分布于蒸发腔，液滴的最低温度63℃，位于喷口下游附近。

看一下液滴的浓度情况，与液滴轨迹相对应，主要分布于蒸发腔内。

水蒸气的摩尔分数分布如下，可以看出液滴得到了很好的蒸发。

这里提高液滴的喷射量至0.0003kg/s，此时的液滴轨迹如下，可以看出液滴最低温度下降至44.92℃，并且液滴向下游移动的距离也增加了一些。符合实际情况，当喷射量继续增大时，部分液滴将从出口逃逸。

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