积鼎 VirtualFlow 高精度工程雾化模型，优化离心旋流喷嘴雾化效果

雾化喷嘴已广泛渗透于航空航天、车辆工程、医药制造、精密生产、食品加工、环境保护以及现代农业等众多工业领域，成为提升各行业生产效率与性能的关键工具。因此，雾化喷嘴的仿真技术显得尤为重要，通过准确模拟喷嘴的雾化过程，帮助工程师在设计阶段即可优化喷嘴结构，确保最终产品能够精确满足多样化、复杂化的应用需求，极大地加速了雾化喷嘴的技术迭代与性能提升。

项目背景

尾气后处理系统在重卡中的地位至关重要。随着全球环境保护法规的日益严格，特别是中国实施的第六阶段排放标准，重卡的尾气排放要求达到了前所未有的高度。尾气后处理系统也因此成为重卡满足排放标准的关键技术之一。

雾化喷嘴是尾气后处理系统中的重要部分。雾化喷嘴的设计和性能直接影响到整个尾气后处理系统的优化，包括喷射角度、喷射速率、雾化颗粒大小等，这些都是确保系统高效运行的关键因素。良好的雾化效果能显著提高化学反应的效率，延长后处理设备的使用寿命，其性能的优劣直接关系到整个系统的工作效率和尾气排放处理的成效。

利用CFD技术研究重卡尾气后处理系统中的雾化喷嘴，对于提高喷嘴的设计水平、优化尾气处理效果以及推动相关技术的发展具有重要意义，但是雾化喷嘴流体仿真涉及到多个技术难点，如尿素溶液在喷嘴内的雾化过程极其复杂，涉及到液滴的形成、生长、分裂和撞击等多个阶段；尿素雾化喷嘴内部的流动可能存在湍流、振荡等现象，这些现象的模拟需要考虑喷嘴内部流动的随机性和不稳定性；尿素在喷嘴内雾化后，会在尾气中与NOx发生化学反应，这个过程中可能伴随有热量的释放等。

项目目标

某动力集团公司是中国动力系统领域的领军企业。凭借在重型卡车行业的深耕细作，已经确立了其在国内市场的龙头地位，并且在全球范围内也具有显著的竞争优势。该公司提出，由于尿素颗粒在后处理箱的分布对后处理的性能影响显著，因此需要对对颗粒分布进行尽可能精确的模拟研究。目前的测试手段，主要是测量喷嘴下方一定位置处的颗粒粒径大小和分布，通过试验测量值与仿真值对比来验证仿真的准确性，从而保证后续尿素颗粒在后处理系统的分布及蒸发仿真的准确性。

解决方案及优势

通过流体仿真软件VirtualFlow所特有的LevelSet模型求解离心喷嘴的内锥角、流速和流量，将得出的内锥角和流速作为工程雾化模型的输入，将得到与实验相符的雾化输入参数，再用该仿真雾化的参数作为后处理整体仿真的输入，从而解决因雾化不准确导致的后处理仿真难题。

首先，通过VirtualFlow进行旋流离心喷嘴内流场仿真，得到喷雾锥角、流量、流速等数据。湍流模型采用k-e模型，界面捕捉模型采用VirtualFlow优化后的LevelSet模型，进口边界采用压力进口边界进行仿真计算。

从仿真的动画可以看出，四个入口的液体通过旋流喷嘴后，在喷嘴处形成倒锥角的空心锥，这是旋流离心喷嘴的特点。

最终仿真的喷嘴内流场结果与真实实验结果吻合度很高，离心喷嘴的喷口处出空心锥的锥角为30度，该仿真结果与实验结果相符。

将内流场仿真的锥角、流速等相关参数通过后处理软件提取之后，输入到PDM仿真模块中，通过自研的工程雾化模型进行雾化仿真。其中一次雾化模型采用Rosin-Rammler模型，二次雾化模型采用KHRT模型。

颗粒分布云图

喷嘴下方50mm处的粒径分布统计

对比喷嘴下方50mm处仿真值与实验值的平均粒径。在喷嘴下方50mm处的平均粒径为56um，与实验值（58um）吻合的很好，相差10%以内，验证了模型的正确性。可见该仿真过程能指导客户对离心雾化喷嘴进行优化，以及为后续的尾气后处理箱的计算仿真提供输入条件。

方案优势

喷嘴内流场部分采用VirtualFlow特有的LevelSet模型进行流体界面的捕捉。传统的LS方法，在初始化过程中总伴随着界面位置的移动，从而造成质量的不守恒。但是VirtualFlow在LevelSet模型上进行了特殊处理，能保证计算过程中的质量守恒，使得计算结果保真性更强。同时，自研的工程雾化模型具有仿真精度高的特点，并得到了大量的工程实践验证。

VirtualFlow软件LevelSet质量守恒界面和仿真数据对比如下：

VirtualFlow质量守恒设置界面

（A）LS方法（VirtualFlow软件）模拟结果与实验数据对比    （B）VOF方法（OpenForm）模拟结果与实验数据对比

VirtualFlow和OpenForm仿真与实验对比

下图是自研的工程雾化模型实验与仿真对比。可以看到，通过对比仿真与实验的平均粒径值可见，自研的工程雾化模型的仿真结果具有相当高的精度。

工程雾化模型实验与仿真对比

用户评价

VirtualFlow软件的安装和配置过程非常简单，可在短时间内快速上手。软件的界面设计直观，功能模块划分清晰。其次，软件的仿真精度高，采用了先进的算法，替代计算繁杂的VOF-DPM模型，既能快速完成仿真计算，节省了大量的时间和资源，又能够保证非常精确的仿真结果。在优化尿素喷嘴雾化，改善柴油机排放方面具有显著意义，是优化尿素喷嘴喷射雾化的有效技术手段，能有效缩短产品开发设计周期，提高产品性能，降低开发风险。

应用延展

雾化喷嘴仿真技术在航空航天、工程机械、车辆工程方面的相关应用。

1. 航空航天领域

燃烧效率提升：雾化技术使燃料更充分燃烧，提高燃料燃烧均匀性，减少不完全燃烧，提高热效率，减少未燃烧的燃料残留，降低尾气排放，使发动机瞬态响应更快速；

吸雨吸雹：模拟发动机在恶劣天气下的工作情况，预测吸雨吸雹对发动机的影响，来辅助发动机设计；

防火系统：模拟飞机舱失火灭火，可以模拟细水雾灭火系统在飞机舱内的喷雾效果，分析其灭火效能对乘客的影响，从而优化系统设计，为制定合理的疏散方案提供支持；

2. 工程机械领域

喷雾降尘：在煤矿等环境中，雾化喷嘴用于喷雾降尘，减少粉尘污染，保护工人健康；

冷却系统：在工程机械的冷却系统中，雾化喷嘴用于提高冷却效率，防止因设备过热而造成的设备损伤或危险。

3. 车辆工程领域

涂装前处理：在汽车生产中，雾化喷嘴用于车体涂装前的洗净处理，提高涂装质量；

车辆喷雾系统：特殊结构的雾化喷头用于车辆喷雾系统，提高雾化效果和喷射距离；

内燃机喷油器：喷油器喷嘴的燃油雾化效果，直接制约着发动机的燃烧效率和污染物的排放浓度；

尾气后处理系统：后处理系统中尿素喷射需要雾化喷嘴实现，雾化效果直接影响尿素的结晶和氨气的分布，对后处理系统的寿命和污染物的排放有决定性影响。

通用计算流体力学软件VirtualFlow，具备行业领先的网格建模与求解技术，和丰富的多相流物理模型及先进的相变模型，可模拟单相和多相/多组分物质流动、传热、界面追踪、粒子追踪、相变、水合物反应等复杂问题，可为工业各行业用户提供专业级流体仿真解决方案。

审核编辑 黄宇