霧化噴嘴已廣泛滲透于航空航天、車輛工程、醫(yī)藥制造、精密生產(chǎn)、食品加工、環(huán)境保護(hù)以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等眾多工業(yè)領(lǐng)域，成為提升各行業(yè)生產(chǎn)效率與性能的關(guān)鍵工具。因此，霧化噴嘴的仿真技術(shù)顯得尤為重要，通過準(zhǔn)確模擬噴嘴的霧化過程，幫助工程師在設(shè)計(jì)階段即可優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，確保最終產(chǎn)品能夠精確滿足多樣化、復(fù)雜化的應(yīng)用需求，極大地加速了霧化噴嘴的技術(shù)迭代與性能提升。

項(xiàng)目背景

尾氣后處理系統(tǒng)在重卡中的地位至關(guān)重要。隨著全球環(huán)境保護(hù)法規(guī)的日益嚴(yán)格，特別是中國實(shí)施的第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，重卡的尾氣排放要求達(dá)到了前所未有的高度。尾氣后處理系統(tǒng)也因此成為重卡滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

霧化噴嘴是尾氣后處理系統(tǒng)中的重要部分。霧化噴嘴的設(shè)計(jì)和性能直接影響到整個尾氣后處理系統(tǒng)的優(yōu)化，包括噴射角度、噴射速率、霧化顆粒大小等，這些都是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。良好的霧化效果能顯著提高化學(xué)反應(yīng)的效率，延長后處理設(shè)備的使用壽命，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的工作效率和尾氣排放處理的成效。

利用CFD技術(shù)研究重卡尾氣后處理系統(tǒng)中的霧化噴嘴，對于提高噴嘴的設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化尾氣處理效果以及推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，但是霧化噴嘴流體仿真涉及到多個技術(shù)難點(diǎn)，如尿素溶液在噴嘴內(nèi)的霧化過程極其復(fù)雜，涉及到液滴的形成、生長、分裂和撞擊等多個階段；尿素霧化噴嘴內(nèi)部的流動可能存在湍流、振蕩等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的模擬需要考慮噴嘴內(nèi)部流動的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性；尿素在噴嘴內(nèi)霧化后，會在尾氣中與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這個過程中可能伴隨有熱量的釋放等。

項(xiàng)目目標(biāo)

某動力集團(tuán)公司是中國動力系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。憑借在重型卡車行業(yè)的深耕細(xì)作，已經(jīng)確立了其在國內(nèi)市場的龍頭地位，并且在全球范圍內(nèi)也具有顯著的競爭優(yōu)勢。該公司提出，由于尿素顆粒在后處理箱的分布對后處理的性能影響顯著，因此需要對對顆粒分布進(jìn)行盡可能精確的模擬研究。目前的測試手段，主要是測量噴嘴下方一定位置處的顆粒粒徑大小和分布，通過試驗(yàn)測量值與仿真值對比來驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，從而保證后續(xù)尿素顆粒在后處理系統(tǒng)的分布及蒸發(fā)仿真的準(zhǔn)確性。

解決方案及優(yōu)勢

通過流體仿真軟件VirtualFlow所特有的LevelSet模型求解離心噴嘴的內(nèi)錐角、流速和流量，將得出的內(nèi)錐角和流速作為工程霧化模型的輸入，將得到與實(shí)驗(yàn)相符的霧化輸入?yún)?shù)，再用該仿真霧化的參數(shù)作為后處理整體仿真的輸入，從而解決因霧化不準(zhǔn)確導(dǎo)致的后處理仿真難題。

首先，通過VirtualFlow進(jìn)行旋流離心噴嘴內(nèi)流場仿真，得到噴霧錐角、流量、流速等數(shù)據(jù)。湍流模型采用k-e模型，界面捕捉模型采用VirtualFlow優(yōu)化后的LevelSet模型，進(jìn)口邊界采用壓力進(jìn)口邊界進(jìn)行仿真計(jì)算。

從仿真的動畫可以看出，四個入口的液體通過旋流噴嘴后，在噴嘴處形成倒錐角的空心錐，這是旋流離心噴嘴的特點(diǎn)。

最終仿真的噴嘴內(nèi)流場結(jié)果與真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度很高，離心噴嘴的噴口處出空心錐的錐角為30度，該仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

將內(nèi)流場仿真的錐角、流速等相關(guān)參數(shù)通過后處理軟件提取之后，輸入到PDM仿真模塊中，通過自研的工程霧化模型進(jìn)行霧化仿真。其中一次霧化模型采用Rosin-Rammler模型，二次霧化模型采用KHRT模型。

顆粒分布云圖

噴嘴下方50mm處的粒徑分布統(tǒng)計(jì)

對比噴嘴下方50mm處仿真值與實(shí)驗(yàn)值的平均粒徑。在噴嘴下方50mm處的平均粒徑為56um，與實(shí)驗(yàn)值（58um）吻合的很好，相差10%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的正確性。可見該仿真過程能指導(dǎo)客戶對離心霧化噴嘴進(jìn)行優(yōu)化，以及為后續(xù)的尾氣后處理箱的計(jì)算仿真提供輸入條件。

方案優(yōu)勢

噴嘴內(nèi)流場部分采用VirtualFlow特有的LevelSet模型進(jìn)行流體界面的捕捉。傳統(tǒng)的LS方法，在初始化過程中總伴隨著界面位置的移動，從而造成質(zhì)量的不守恒。但是VirtualFlow在LevelSet模型上進(jìn)行了特殊處理，能保證計(jì)算過程中的質(zhì)量守恒，使得計(jì)算結(jié)果保真性更強(qiáng)。同時，自研的工程霧化模型具有仿真精度高的特點(diǎn)，并得到了大量的工程實(shí)踐驗(yàn)證。

VirtualFlow軟件LevelSet質(zhì)量守恒界面和仿真數(shù)據(jù)對比如下：

VirtualFlow質(zhì)量守恒設(shè)置界面

（A）LS方法（VirtualFlow軟件）模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比 （B）VOF方法（OpenForm）模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

VirtualFlow和OpenForm仿真與實(shí)驗(yàn)對比

下圖是自研的工程霧化模型實(shí)驗(yàn)與仿真對比?？梢钥吹?，通過對比仿真與實(shí)驗(yàn)的平均粒徑值可見，自研的工程霧化模型的仿真結(jié)果具有相當(dāng)高的精度。

工程霧化模型實(shí)驗(yàn)與仿真對比

用戶評價

VirtualFlow軟件的安裝和配置過程非常簡單，可在短時間內(nèi)快速上手。軟件的界面設(shè)計(jì)直觀，功能模塊劃分清晰。其次，軟件的仿真精度高，采用了先進(jìn)的算法，替代計(jì)算繁雜的VOF-DPM模型，既能快速完成仿真計(jì)算，節(jié)省了大量的時間和資源，又能夠保證非常精確的仿真結(jié)果。在優(yōu)化尿素噴嘴霧化，改善柴油機(jī)排放方面具有顯著意義，是優(yōu)化尿素噴嘴噴射霧化的有效技術(shù)手段，能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品性能，降低開發(fā)風(fēng)險。

應(yīng)用延展

霧化噴嘴仿真技術(shù)在航空航天、工程機(jī)械、車輛工程方面的相關(guān)應(yīng)用。

1.航空航天領(lǐng)域

燃燒效率提升：霧化技術(shù)使燃料更充分燃燒，提高燃料燃燒均勻性，減少不完全燃燒，提高熱效率，減少未燃燒的燃料殘留，降低尾氣排放，使發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)更快速；

吸雨吸雹：模擬發(fā)動機(jī)在惡劣天氣下的工作情況，預(yù)測吸雨吸雹對發(fā)動機(jī)的影響，來輔助發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)；

防火系統(tǒng)：模擬飛機(jī)艙失火滅火，可以模擬細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在飛機(jī)艙內(nèi)的噴霧效果，分析其滅火效能對乘客的影響，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為制定合理的疏散方案提供支持；

2.工程機(jī)械領(lǐng)域

噴霧降塵：在煤礦等環(huán)境中，霧化噴嘴用于噴霧降塵，減少粉塵污染，保護(hù)工人健康；

冷卻系統(tǒng)：在工程機(jī)械的冷卻系統(tǒng)中，霧化噴嘴用于提高冷卻效率，防止因設(shè)備過熱而造成的設(shè)備損傷或危險。

3.車輛工程領(lǐng)域

涂裝前處理：在汽車生產(chǎn)中，霧化噴嘴用于車體涂裝前的洗凈處理，提高涂裝質(zhì)量；

車輛噴霧系統(tǒng)：特殊結(jié)構(gòu)的霧化噴頭用于車輛噴霧系統(tǒng)，提高霧化效果和噴射距離；

內(nèi)燃機(jī)噴油器：噴油器噴嘴的燃油霧化效果，直接制約著發(fā)動機(jī)的燃燒效率和污染物的排放濃度；

尾氣后處理系統(tǒng)：后處理系統(tǒng)中尿素噴射需要霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)，霧化效果直接影響尿素的結(jié)晶和氨氣的分布，對后處理系統(tǒng)的壽命和污染物的排放有決定性影響。

通用計(jì)算流體力學(xué)軟件VirtualFlow，具備行業(yè)領(lǐng)先的網(wǎng)格建模與求解技術(shù)，和豐富的多相流物理模型及先進(jìn)的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質(zhì)流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應(yīng)等復(fù)雜問題，可為工業(yè)各行業(yè)用戶提供專業(yè)級流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇