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 平口噴嘴內部的空化流動進行了模擬, 研究了噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內部蒸汽體積和湍動能分布的影響。結果表明, 高噴射壓力( 10 MPa) 對噴嘴內部蒸汽體積的作用減弱, 噴射壓力為10 MPa 時, 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; 噴嘴內的湍動能隨噴射壓力的增加而增加; 噴嘴直徑對噴嘴內部的空化流動有很大的影響, 噴嘴直徑越小所產生的空化流動越強烈, 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能較大, 有助于霧化質量的提高。

　　隨著納米材料和納米技術的發展, 聚合物有機納米功能薄膜, 因其質量輕、柔韌性好及易于加工等特點已在工業、醫用及科技領域中得到廣泛的應用。納米技術與液相材料工藝結合日漸緊密, 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少等優點而備受關注。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行表征, 對噴嘴噴射流場進行了大量的研究, 發現噴嘴內部的空化流動是影響噴霧特性的重要因素, 其在噴嘴內引起的紊亂對霧化效果造成的影響遠大于噴嘴外部空氣的影響, 空化湍流流動在一定程度上會促進霧化效果的提高; 同時,低出口壓力有助于噴嘴內空化流動的形成, 并進一步提高霧化效果。

　　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幾毫米甚至幾十微米, 流體通過噴嘴的流速較高, 噴射持續時間很短, 且存在高湍流強度及氣液兩相流的復雜性, 使得很難直接觀測和測量噴嘴內部的流動狀態, 因此對噴嘴內部的空化流動進行多維數值模擬成為一種有效的研究手段。前期的模擬分析發現, 當出口壓力低于0. 1MPa 時, 其對噴嘴內部的空化流動影響很小,在相關文獻中, 真空噴射法制備聚合物納米薄膜研究所設定的真空室真空度一般小于《10 Pa, 且有關低壓下噴嘴內部的流動過程的研究鮮有報道。本文以真空噴射法制備聚合物薄膜為出發點, 利用Ansys Fluent 和Gambit 軟件對低壓力( 10 Pa) 下平口噴嘴內的空化流動進行了模擬分析, 研究了不同噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內部的蒸汽體積分數和湍動能( turbulent kinetic energy,TKE) 分布的影響, 真空技術網(http://shengya888.com/)認為這對噴嘴結構優化和噴射參數設定具有實際的指導作用。

　　幾何模型及邊界條件

　　噴嘴是噴射系統中重要的組成部件, 本文選用Suh 等研究的平口噴嘴, 它是機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, 計算域四壁均為Wall, 近似無滑移。為減少計算量, 利用Gambit 軟件將噴嘴內部空化區域的模擬計算簡化為二維軸對稱問題, 網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) 平口噴嘴內的空化流動進行了模擬, 研究了噴射壓力和噴嘴直徑對噴嘴內蒸汽體積和湍動能分布的影響。結果發現, 低噴射壓力( < 10 MPa) 對噴嘴內的空化流動影響很大, 而當噴射壓力大于10 MPa 時, 噴射壓力對空化流動的作用不明顯; 在10 MPa 時, 噴嘴內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; 隨著噴射壓力的增加, 流體在噴嘴入口截面處產生高速的流動速率, 并在壁面處附近形成很大的擾動動能, 噴嘴內湍動能增加; 噴嘴直徑是影響噴嘴內部空化流動的重要因素, 噴嘴直徑越小, 流體在流經噴嘴入口截面處的流速增加會產生強烈的空化流動, 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能較大, 有助于霧化質量的提高。