VirtualFlow案例 | 基于高精度工程雾化模型，优化离心旋流喷嘴雾化效果_燃烧_化学_湍流_航空_航天_汽车_农业_UM_试验

VirtualFlow案例 | 基于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。

SIMPOP

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 to 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

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

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

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。

来源：多相流在线

VirtualFlow案例 | 油箱燃油晃动模拟，高效分析管路及油箱内油面变化

在探索流体行为模拟的领域，CFD技术为油箱燃油晃动模拟带来了革命性的转变。通过高精度的数值模拟，它不仅揭示了燃油在不同工况下的复杂动态，还为油箱设计的优化提供了关键洞察。这一技术在航空航天、汽车制造、船舶与海洋工程等多个行业中展现出广泛的应用价值，从确保飞机油箱的安全稳定，到提升汽车燃油系统的效率与舒适性，再到保障大型油轮和海洋平台的运营安全，CFD技术都在默默地发挥着不可替代的作用。SIMPOP 1. 项目背景在航空工程中，飞行器结构复杂，即使在现有成熟条件下，部分结构的设计制造仍然存在很大的困难。如在飞机燃油箱设计制造过程中，为了适配结构复杂的飞行器而设计的特殊结构燃油箱，其加油过程需要精细设计。另外，在飞行过程中，由于飞机姿态变化导致燃油在燃油箱中的分布状态变化，其对于油箱结构受载的影响也需要考虑。某飞机工业有限责任公司具备独立设计，工程试验，飞行试验以及理化计量等飞行器设计制造能力。然而，面对日益复杂的飞行器结构，尤其是燃油箱这类既需满足容量需求又需承受复杂力学环境的部件，该公司也面临诸多挑战。传统的设计方法往往依赖于经验积累与反复试验，不仅耗时长、成本高，且难以全面捕捉流体流动的细微变化，从而限制了设计精度的进一步提升。项目目标为了加快设计效率，节省试验成本，该飞机公司考虑在各飞行器制造环节中，大力引进行业优秀流体仿真软件。在上述飞机燃油箱设计过程中，通过积鼎自主研发的CFD软件VirtualFlow，实现精确的燃油油面变化及重量特性分析、油箱内流口设计和燃油管路内油流特性分析、系统及结构受载情况分析、加油过程中油箱姿态变化分析以及油箱热模型计算分析等设计过程，为燃油箱设计提供科学依据。2. 解决方案及优势核心方法——界面追踪技术 VirtualFlow拥有的Level Set模型非常适用于燃油晃动领域。Level Set 方法是通过距离函数直接追踪界面，而非VOF模型需要重构界面。其优势在于界面拥有明确的定义，且能够很好地处理界面出现剧烈拓扑变化的情况，例如液面破碎、聚并等。对于Level Set 方法可能带来的质量守恒性方面，VirtualFlow针对性采用Local+Global补偿修正，避免了早期Level Set方法的质量守恒性较差的问题，解决了相体积不守恒的数值问题。因此，Level Set方法对于相界面的跟踪识别的优势尤为明显，尤其是燃油晃动这种存在大尺度界面的应用领域。计算过程及结果通过VirtualFlow软件的刚体运动功能，实现对该用户某型飞机油箱燃油晃动的分析。该飞机的油箱组成如图所示。图1 飞机油箱组成在该算例中，我们提取右侧的机翼油箱作为主要计算域。其尺寸如图所示。图2 机翼油箱尺寸如图所示，初始时刻，油箱内填充约一半的燃油（红色部分）。图3 油箱初始状态该算例的主要参数如下表所示：下方给出了VirtualFlow软件计算得到的燃油晃动结果。通过VirtualFlow，用户可以轻松地获得晃动过程中油箱内的油面形态分布（左）以及燃油速度（右）等参数。用户还可以设定任意截面以获取其上的详细参数分布。此外，通过压力的积分，用户可以轻松提取燃油晃动对油箱壁面的冲击力图4 油箱冲击载荷方案优势简化复杂几何的前处理难度VirtualFlow具备特有的浸没边界（IST）网格技术。在IST技术的支持下，软件能够自动识别燃油箱的复杂结构，极大地减少设计人员在前处理网格剖分工作中所用的时间与精力，对于快速设计迭代过程尤为重要。多相流清晰界面航空燃油箱仿真计算过程属于典型的多相流计算问题。使用上述VirtualFlow中的Level-Set两相流经典界面追踪方法，能够快速进行模拟分析航空燃油在重力作用下的流动变化及其与液面形态。支持耦合多物理场计算IST技术同时支持多物理场耦合计算。能够实时进行流动分析以及计算固体结构的受力。对于飞行过程中的油箱晃动过程，能够精确计算其结构受载情况。强耦合共轭传热计算VirtualFlow同时支持共轭传热分析计算，并且在求解方式上属于强耦合计算，计算精度较高。对于高温下的燃油箱受热分析也能够轻松处理。成果及效益通过对VirtualFlow的熟练使用，该飞机公司基本实现了从燃油管路内的油流特性分析，到快速的油箱内流口设计，再到油箱内油面变化的准确计算，以及结构受载情况分析这一完整燃油箱的设计计算过程。通过提升专业的研发设计手段，达到了提高效率、降低成本、促进设计能力提升、保障飞机顺利研制的目标。用户评价：“积鼎科技公司一直专注于流体仿真领域，在配合过程中感受到了公司的专业。VirtualFlow软件的IST网格技术能精准识别复杂结构，简化了工程师的设计流程，大幅提升了计算的效率。多相流模型也比较全面，对于飞行中燃油箱动态变化可以做到精准可靠的模拟。整个服务团队配合程度高，能够响应及时，助力我们高效推进项目完成。” “方案总结 VirtualFlow软件凭借其Level Set界面追踪技术，在燃油晃动模拟中展现了卓越性能，不仅精确捕捉燃油动态变化，包括液面的破碎与聚并，还通过Local+Global补偿修正确保了质量守恒性。软件的IST网格技术简化了复杂几何前处理，可支持多物理场耦合计算，实现实时结构受力分析。这些优势同样适用于汽车、船舶等行业的油箱晃动模拟，具备跨行业的广泛应用前景，为各类油箱设计提供强有力的技术支撑。来源：多相流在线