霧化噴嘴已廣泛滲透于航空航天、車輛工程、醫藥制造、精密生產、食品加工、環境保護以及現代農業等眾多工業領域，成為提升各行業生產效率與性能的關鍵工具。因此，霧化噴嘴的仿真技術顯得尤為重要，通過準確模擬噴嘴的霧化過程，幫助工程師在設計階段即可優化噴嘴結構，確保最終產品能夠精確滿足多樣化、復雜化的應用需求，極大地加速了霧化噴嘴的技術迭代與性能提升。

項目背景

尾氣后處理系統在重卡中的地位至關重要。隨著全球環境保護法規的日益嚴格，特別是中國實施的第六階段排放標準，重卡的尾氣排放要求達到了前所未有的高度。尾氣后處理系統也因此成為重卡滿足排放標準的關鍵技術之一。

霧化噴嘴是尾氣后處理系統中的重要部分。霧化噴嘴的設計和性能直接影響到整個尾氣后處理系統的優化，包括噴射角度、噴射速率、霧化顆粒大小等，這些都是確保系統高效運行的關鍵因素。良好的霧化效果能顯著提高化學反應的效率，延長后處理設備的使用壽命，其性能的優劣直接關系到整個系統的工作效率和尾氣排放處理的成效。

利用CFD技術研究重卡尾氣后處理系統中的霧化噴嘴，對于提高噴嘴的設計水平、優化尾氣處理效果以及推動相關技術的發展具有重要意義，但是霧化噴嘴流體仿真涉及到多個技術難點，如尿素溶液在噴嘴內的霧化過程極其復雜，涉及到液滴的形成、生長、分裂和撞擊等多個階段；尿素霧化噴嘴內部的流動可能存在湍流、振蕩等現象，這些現象的模擬需要考慮噴嘴內部流動的隨機性和不穩定性；尿素在噴嘴內霧化后，會在尾氣中與NOx發生化學反應，這個過程中可能伴隨有熱量的釋放等。

項目目標

某動力集團公司是中國動力系統領域的領軍企業。憑借在重型卡車行業的深耕細作，已經確立了其在國內市場的龍頭地位，并且在全球范圍內也具有顯著的競爭優勢。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，通過試驗測量值與仿真值對比來驗證仿真的準確性，從而保證后續尿素顆粒在后處理系統的分布及蒸發仿真的準確性。

解決方案及優勢

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

首先，通過VirtualFlow進行旋流離心噴嘴內流場仿真，得到噴霧錐角、流量、流速等數據。湍流模型采用k-e模型，界面捕捉模型采用VirtualFlow優化后的LevelSet模型，進口邊界采用壓力進口邊界進行仿真計算。

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。

最終仿真的噴嘴內流場結果與真實實驗結果吻合度很高，離心噴嘴的噴口處出空心錐的錐角為30度，該仿真結果與實驗結果相符。

將內流場仿真的錐角、流速等相關參數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處的粒徑分布統計

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

方案優勢

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

VirtualFlow軟件LevelSet質量守恒界面和仿真數據對比如下：

VirtualFlow質量守恒設置界面

（A）LS方法（VirtualFlow軟件）模擬結果與實驗數據對比 （B）VOF方法（OpenForm）模擬結果與實驗數據對比

VirtualFlow和OpenForm仿真與實驗對比

下圖是自研的工程霧化模型實驗與仿真對比。可以看到，通過對比仿真與實驗的平均粒徑值可見，自研的工程霧化模型的仿真結果具有相當高的精度。

工程霧化模型實驗與仿真對比

用戶評價

VirtualFlow軟件的安裝和配置過程非常簡單，可在短時間內快速上手。軟件的界面設計直觀，功能模塊劃分清晰。其次，軟件的仿真精度高，采用了先進的算法，替代計算繁雜的VOF-DPM模型，既能快速完成仿真計算，節省了大量的時間和資源，又能夠保證非常精確的仿真結果。在優化尿素噴嘴霧化，改善柴油機排放方面具有顯著意義，是優化尿素噴嘴噴射霧化的有效技術手段，能有效縮短產品開發設計周期，提高產品性能，降低開發風險。

應用延展

霧化噴嘴仿真技術在航空航天、工程機械、車輛工程方面的相關應用。

1.航空航天領域

燃燒效率提升：霧化技術使燃料更充分燃燒，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，使發動機瞬態響應更快速；

吸雨吸雹：模擬發動機在惡劣天氣下的工作情況，預測吸雨吸雹對發動機的影響，來輔助發動機設計；

防火系統：模擬飛機艙失火滅火，可以模擬細水霧滅火系統在飛機艙內的噴霧效果，分析其滅火效能對乘客的影響，從而優化系統設計，為制定合理的疏散方案提供支持；

2.工程機械領域

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

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

3.車輛工程領域

涂裝前處理：在汽車生產中，霧化噴嘴用于車體涂裝前的洗凈處理，提高涂裝質量；

車輛噴霧系統：特殊結構的霧化噴頭用于車輛噴霧系統，提高霧化效果和噴射距離；

內燃機噴油器：噴油器噴嘴的燃油霧化效果，直接制約著發動機的燃燒效率和污染物的排放濃度；

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

通用計算流體力學軟件VirtualFlow，具備行業領先的網格建模與求解技術，和豐富的多相流物理模型及先進的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應等復雜問題，可為工業各行業用戶提供專業級流體仿真解決方案。

審核編輯 黃宇