流体机械

设备名称	型号	参数	精度
水泵	浙江飞浰浦斯FLPS25X26A-M3.0D	压力0~2.0 MPa，流量0~2 m³/h	0.1 MPa
压力表	陕西西仪YB-150B	量程0~4 MPa	±0.25%
高速摄像机	美国Phantom V211	分辨率1 280×80或1 280×1 024，最大帧数20 000	<1%
激光粒度仪	山东奈克特PW180-B	量程0.1~800 μm	±1%

设备名称	型号	参数	精度
水泵	浙江飞浰浦斯FLPS25X26A-M3.0D	压力0~2.0 MPa，流量0~2 m³/h	0.1 MPa
压力表	陕西西仪YB-150B	量程0~4 MPa	±0.25%
高速摄像机	美国Phantom V211	分辨率1 280×80或1 280×1 024，最大帧数20 000	<1%
激光粒度仪	山东奈克特PW180-B	量程0.1~800 μm	±1%

排列方式对造雪机多喷嘴雾化特性的影响研究

任荟溁 ¹ , 徐荣吉 ¹^,² , 杨西茹 ¹ , 王学志 ¹

流体机械 | 试验研究 2026,54(4): 1-10

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流体机械 |试验研究 2026 , 54 (4) : 1 -10

排列方式对造雪机多喷嘴雾化特性的影响研究

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任荟溁¹, 徐荣吉¹^,², 杨西茹¹, 王学志¹

作者信息

¹北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，北京 100044

²北京建筑大学建筑用能国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100044

通讯作者:

徐荣吉（1981），男，教授，博士生导师，主要从事制冷空调系统热物理过程、太阳能利用技术研究，通信地址：100044北京市大兴区黄村镇永源路15号北京建筑大学，E-mail：xurongji@bucea.edu.cn。

作者简介:

任荟溁（2001），女，硕士研究生，主要研究方向为人工造雪技术，通信地址：100044北京市大兴区黄村镇永源路15号北京建筑大学，E-mail：13231305582@163.com。

Study on the influence of arrangement patterns on the atomization characteristics of multiple nozzles in a snowmaking machine

Huiying REN¹, Rongji XU¹^,², Xiru YANG¹, Xuezhi WANG¹

Affiliations

¹Beijing Engineering Research Center for Efficient Utilization of Building Energy，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China

²National Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Building Energy，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China

出版时间: 2026-04-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.001

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摘要

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为了提升造雪机多喷嘴雾化效果，利用离散相模型（DPM）及泰勒类比破碎模型（TAB）构建了三维瞬态多相流模型，并结合试验验证，系统分析了喷嘴呈直线、环形、直角三角形及等边三角形排列时雾化特性的变化规律，同时探究了安装高度与距离差异对雾化特性的调控作用。结果表明，同一平面内，等边三角形与环形排列展现出较好且相似的分布均匀性，其中，等边三角形排列的索特平均直径SMD较大（94.31 μm），雾化效果较优；直角三角形排列在远场区域大粒径液滴占比达72%，液滴聚合效应较强；而直线排列的SMD最小（92.8 μm），液滴破碎效果最优。同时，喷嘴安装高度与间距差异对整体雾化特性影响有限，但可以有效调节雾化干涉行为。研究结果揭示了喷嘴几何布局对多喷嘴协同雾化特性的影响机制，可为造雪机喷嘴布局设计提供参考。

关键词

人工造雪 / 旋流喷嘴 / 喷嘴布局 / 雾化特性 / 数值模拟

Abstract

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To improve the atomization effect of multiple nozzles in snowmaking machines，a 3D transient multiphase flow model was constructed using the discrete phase model （DPM） and the Taylor analogy breakup （TAB） model.Combined with experimental validation，the variation laws of atomization characteristics under linear，circular，right triangular，and equilateral triangular nozzle arrangements were systematically analyzed.Meanwhile，the regulatory effects of installation height and spacing differences on atomization characteristics were investigated.The results indicate that on the same plane，the equilateral triangular and circular arrangements exhibit good and similar distribution uniformity.Among them，the equilateral triangular arrangement has a larger sauter mean diameter SMD （94.31 μm） and better atomization effect.For the right triangular arrangement，the proportion of large‑sized droplets in the far‑field region reaches 72%，showing a stronger droplet coalescence effect.The linear arrangement has the smallest SMD （92.8 μm），achieving the best droplet breakup effect.Meanwhile，differences in nozzle installation height and spacing have a limited impact on the overall atomization characteristics but can effectively regulate atomization interference behavior.The research results reveal the influence mechanism of nozzle geometric layout on the synergistic atomization characteristics of multiple nozzles，providing a reference for the layout design of snowmaking machine nozzles.

Key words

artificial snowmaking / swirl nozzle / nozzle layout / atomization characteristics / numerical simulation

引用本文

任荟溁, 徐荣吉, 杨西茹, 王学志. 排列方式对造雪机多喷嘴雾化特性的影响研究. 流体机械, 2026 , 54 (4) : 1 -10 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.001

Huiying REN, Rongji XU, Xiru YANG, Xuezhi WANG. Study on the influence of arrangement patterns on the atomization characteristics of multiple nozzles in a snowmaking machine[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (4) : 1 -10 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.001

正文

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0　引言

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人工造雪技术凭借对雪质、雪量及造雪周期的可控性，已经成为推进雪上运动发展的关键技术^［1-2］。其中，造雪机的雾化性能对雪质和雪量具有决定性作用^［3］，而喷嘴布局是影响雾化的关键因素^［4］。因此，有必要深入了解喷嘴布局对雾化特性的影响规律。

以往对单喷嘴雾化影响规律的研究较为充分，例如探讨入口压力、喷嘴内部结构等参数对雾化指标的影响^［5-8］。在多喷嘴协同雾化方面，1999年，SHEA^［9］提出喷嘴配置会显著影响成雪效率和粒径分布；随后，GROOT等^［10-12］通过试验及模拟，证实多喷嘴协同能通过增强液滴间的碰撞破碎，进而有效降低液滴粒径，并提升造雪效率；陈曦等^［13］在单、双、三喷嘴配置的比较研究中发现，三喷嘴的液滴分布均匀性更优；侯燕等^［14-15］通过分析直线和矩形排列的喷嘴组，发现增加喷嘴数量能改善粒径与速度分布的均匀性，且喷嘴间距对温度场的均匀性也具有显著影响。此外，对于喷嘴呈等边三角形排列，CHOI等^［16］研究证实，该排列能有效抑制端部效应，并形成稳定喷流；吴正人等^［17］通过试验证明，该排列能提升喷雾中液滴浓度与速度均匀性。

虽然现有研究初步阐明了喷嘴数量、间距及布局形式的作用规律，但对不同排列方式雾化特性的对比研究仍旧缺失。本文以国内主流造雪机（卡宾鲲鹏）为研究对象，结合数值模拟与试验验证，分析直线、环形、直角三角形及等边三角形排列的雾化特性，并探究安装高度与间距差异的调控作用，为造雪机的喷嘴布局优化提供参考。

1　实验装置与物理模型

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为验证数值模拟结果的准确性，根据造雪机实际运行工况，搭建了多喷嘴雾化特性试验系统。该系统包括水泵、喷嘴、支架、压力表、粒径仪、高速摄像机等，如图1所示。试验与模拟所采用喷嘴为国内主流造雪机常用的压力旋流喷嘴，3个喷嘴沿同一直线布置，且喷嘴出口直径均为1.7 mm。为保证试验与模拟边界条件一致，水泵出口压力控制在1.0~1.4 MPa，并由精度为±0.25%的压力表实时监测。试验在室内环境下进行，水温与环境温度均控制为20 ℃，减少环境因素对雾化过程的影响。在试验过程中，首先，调整粒径仪激光射线对准喷嘴出口正下方100 mm处；随后，对高速摄像机进行焦距及曝光参数调节，待雾化稳定后，记录粒径分布数据，并利用高速摄像机成像结果进行逐帧计算分析，获得喷嘴出口速度。试验设备参数及其精度如表1所示。

为提高试验数据的可靠性，每组工况均重复测量3次，并取其平均值。在相同工况条件下，将试验数据与数值模拟结果进行对比分析，选取喷嘴出口速度及典型截面处索特平均直径（Sauter mean diameter，SMD）作为主要评价指标，从而验证所建立数值模型的准确性与适用性。

2　数值模型

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2.1　计算模型与模型假设

参照文献［18-19］中的研究设定，计算域采用直径150 mm、高度150 mm的圆柱域。采用Fluent Meshing对计算域进行多面体（polyhedral）网格划分，并对喷嘴出口及喷雾干涉等关键区域进行局部加密。在保证计算精度的前提下，对计算模型进行了合理简化，并作出如下假设：水相与空气均视为不可压缩流体；空气作为连续相，水以离散相处理；初始时刻计算域充满空气，且入口与出口边界均设定为标准大气压条件。

2.2　控制方程与模型设置

多喷嘴雾化过程是一个三维瞬态多相流过程，遵循质量、动量和能量守恒，其控制方程如下：

∂ ρ ∂ t + ∇ ⋅ ρ u = 0

（1）

∂ ∂ t ρ u + ∇ ⋅ ρ u u = ∇ ⋅ μ ∇ u - ∇ p + S

（2）

∇ ⋅ λ ∇ T = ∂ ∂ t c p ρ T + ∇ ⋅ u T

（3）

式中，ρ为连续相密度；t为时间；u为连续相速度；

μ

为流体动力黏度；p为压力；S为源项；λ为导热系数；T为开尔文温度；c_p为定压比热容。

为求解上述控制方程，并获得喷嘴外部流场的雾化特征，采用Fluent软件进行数值模拟。考虑到旋流喷嘴的结构使液体在出口处形成高速旋转射流，并迅速破碎成大量液滴，此后液滴在雾化过程中受到复杂的湍流扰动和剪切应力影响。因此，文中采用离散相模型（DPM）结合泰勒类比破碎模型（TAB）进行模拟。这种方法能够以拉格朗日视角跟踪雾化液滴的轨迹，并模拟液滴在高速气流中的形变演化。在雾化模拟中，液滴雾化过程中涉及质量、动量及能量的耦合传递，所以需要同时开启重力、能量及组分运输方程；同时，鉴于圆孔射流条件下复杂的多相流问题，湍流模型选用Realizable k-ε模型，捕捉喷嘴出口附近的流动特征。边界条件设定如下：计算域入口设为空气压力入口（相对压强0 Pa）；侧壁及底面采用自由出流边界，确保流动充分发展并抑制回流；所有离散相边界条件均设为逃逸。求解过程中采用Coupled耦合算法以加快收敛。

在DPM模型中，液滴注入位置设定在距计算域入口10 mm处，对应喷嘴出口平面。注射类型选用pressure-swirl-atomizer模式，这是反映旋流喷嘴内部压力驱动，以及旋转剪切共同作用而设定的简化条件。注入液滴的初始压强为1.0 MPa，其注入与液滴喷射方向均沿喷嘴轴线向下。为刻画液滴受气流作用时的形变和破裂过程，采用TAB模型来描述液滴受气动力作用后的变化，其参数采用Fluent默认值。在该模型中，当液滴受到的剪切力使得韦伯数We超过临界值（We≥6.0）时，则认为液滴开始发生破裂。通过DPM与TAB模型的联合应用，可有效表征旋流喷嘴喷雾过程中液滴的运动轨迹、形变及破碎行为。

2.3　网格与模型验证

为验证网格独立性，对计算域采用5套网格进行模拟计算，网格数量分别为27万、51万、86万、161万和365万。所有工况入口压力均为1.0 MPa，以液滴索特平均直径SMD变化为判据，验证结果见图2。当网格数量大于86万时，SMD变化在5%以内。最终选定网格数量为161万的网格划分方案。

为验证模型的可靠性，将3组数值模拟结果与试验测量结果进行对比。每组喷嘴入口所选压力与试验一致，分别为1.0，1.2，1.4 MPa，水温为20 ℃，喷嘴组排列方式均为直线排列，其他条件与试验保持一致，对比结果见图3。

数值模拟所得的喷嘴出口速度与100 mm截面处的SMD值，均与试验值呈现出较好的吻合性，每组相对误差均控制在10%之内，表明所采用的喷嘴组雾化模型能够较为准确地反映实际雾化过程的规律。

2.4　模拟工况

参考实际造雪机喷嘴环的实际安装位点和空间几何约束，以三喷嘴系统为研究对象，探究在不同几何约束下雾化特性的演化规律，设置了空间几何排列、垂向安装高度及水平安装间距三类工况，其布局如图4所示。在同一平面内，对比了直线、环形、等边三角形（间距为30 mm）及直角三角形（斜边间距为42.5 mm）排列方式；在不同安装高度工况中，设置直线排列的垂向间距为30 mm，直角三角形和等边三角形排列分别为15 mm和18 mm；在水平安装间距对比中，针对直线排列，设置了两喷嘴间距离分别为30 mm和60 mm。

3　结果与讨论

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3.1　同一平面内不同排列方式对雾化特性的影响规律

同一平面内，4种排列方式的雾化干涉行为如图5所示。直线与环形排列均存在明显的2次干涉现象，但环形排列的初始干涉位置较直线排列提前约2 mm，表明环形布局能够使喷雾更早产生交汇与破碎。相比之下，等边三角形排列仅存在1次干涉，雾化稳定；而直角三角形排列则存在3次干涉，且后2次干涉位置均在距离喷嘴出口75 mm范围内，表明喷嘴布局的几何对称性对干涉次数具有主导作用，对于直角三角形这种非对称三喷嘴布局，其干涉提前完成，喷雾之间的相互作用更为复杂。

经过对计算域SMD计算，等边三角形、直角三角形、直线及环形排列的SMD值分别为94.31，94.27，92.8，93.82 μm。整体趋势反映出喷嘴的聚集程度越高，其雾化破碎能力越弱，即液滴粒径呈现随喷嘴集中程度增加而略有增大的规律。

由于不同排列方式的干涉区在形成位置与形态上存在差异，为保证对比分析的可比性，各排列均选取干涉点下游5~8 mm的截面作为典型截面，用于评估干涉过程中液滴细化与速度变化。同时，在对比不同排列整体雾化特性时，则统一采用与各喷嘴出口保持相同轴向距离的典型截面作为指定截面，用以对比分析各排列的液滴粒径分布与速度特征。在指定截面处，4种排列方式的雾化粒径与速度分布见图6。在近场50 mm（距计算域入口50 mm）处，各排列均出现干涉现象。环形排列的粒径分布最为集中，粒径为125 μm的液滴占比高达72%，其速度与等边三角形排列均在29 m/s处形成峰值，占比分别为72%与75%；在远场80 mm处，环形与等边三角形排列的粒径峰值略降至65%，速度分布曲线趋于一致，表明在干涉前期，2种排列方式能形成较为稳定且能量集中的雾化区域；干涉后期，液滴分布较为稳定，雾化均匀性较好。相比之下，直角三角形排列在近场粒径离散度较大，但速度分布最为集中，主峰占比约78%；在远场液滴聚合效应增强，出现110 μm与135 μm的双峰粒径分布特征，表明该排列在干涉前期扰动较强，利于干涉后期液滴的聚合。直线排列在近、远场的粒径峰值由125 μm降至110 μm，速度分布始终较为分散，表明该排列虽能促进粒径细化，但难以维持速度场的稳定。

由上述分析可知，无论哪种排列方式，在干涉前，各喷流基本独立雾化，粒径分布单一且速度场集中，此时液滴破碎主要受喷嘴出口动量与局部涡量控制；干涉后，液滴碰撞与二次破碎逐渐增强，使平均粒径下降且速度分布呈扩散趋势。因此，适度干涉有助于增加小粒径液滴数量，并改善雾化均匀性；但若干涉过早或过强，可能导致远场液滴的聚并与速度不均，从而降低整体喷雾质量。不同喷嘴排列方式在干涉过程中表现出不同的优势：环形和等边三角形排列在干涉后液滴分布较为集中，且速度场相对稳定，适用于对雾化均匀性要求较高的应用场景；直线排列则实现了最强的液滴细化，适用于需要细雾化的场合，但速度分布的稳定性较弱；而直角三角形排列在干涉后期产生更多大粒径液滴，可用于需求较大粒径的场合。此外，也可通过调节喷嘴出口速度（入口压力）进一步来优化雾化效果：提高速度能够增强液滴剪切破碎，产生更多细小液滴；降低速度则有助于提升平均粒径。

3.2　安装高度对雾化特性的影响规律

不同安装高度下，3种排列方式（直线、直角三角形及等边三角形排列）的雾化干涉行为如图7所示。相较于喷嘴安装高度一致的情况，改变喷嘴安装高度，各排列的干涉特性均发生变化。对于直线排列，首次干涉后移至52 mm，并在97 mm处形成第3次干涉，表现出明显的多级干涉特征；直角三角形排列的干涉减至2次，且干涉区域整体后移2 mm；相较之下，等边三角形排列则在52 mm处出现2次干涉，干涉区分布相对均匀。表明在改变安装高度的条件下，喷嘴集中程度越高，其喷雾场越容易出现多级干涉现象。值得注意的是，尽管干涉行为受安装高度的影响较大，但对雾化粒径的影响相对有限。同时，经过对计算域SMD计算，在不同安装高度下，直线、直角三角形及等边三角形排列的SMD值分别为92.8，94.22，94.42 μm，分别与它们各自在同一平面内对应的布局进行对比，最大差异仅为0.5 μm。

对于安装高度差异的分析，各排列方式的典型截面均按照第3.1节的原则选取。在分析同一安装高度及不同安装高度这2种情况时，直线、直角三角形及等边三角形这3种排列方式均以各自最高位置喷嘴的出口为基准，在其下游保持相同轴向距离位置设为指定截面。在该截面处，3种排列方式的雾化粒径与速度分布如图8~10所示。

对于直线排列，在近场60 mm处首次出现干涉现象，不同安装高度下粒径峰值占比由82%降至75%，速度峰值向高值方向偏移，峰值液滴占比减小24%；在远场80~110 mm处，高度差异的影响逐渐减弱。直角三角形排列在近场50 mm处粒径范围收窄20 μm，速度峰值液滴占比减小15%；在远场65 mm处，2种安装方式粒径与速度分布趋于一致。等边三角形排列在近场50 mm处液滴细化能力增强，粒径峰值由132 μm降至125 μm，速度峰值液滴占比减少25%；在远场60 mm处，粒径分布基本一致，速度峰值由22 m/s增至27 m/s，较大速度液滴占比增加。结果表明，喷嘴的高度差异在近场中显著增强了局部动能与液滴破碎能力，从而影响雾化均匀性；随着干涉的扩展，高度差异对直线和直角三角形排列的影响逐渐衰减。在等边三角形排列中，高度差异对粒径分布的影响减小，但对速度分布的影响仍然存在。

由上述分析可知，可以通过调整喷嘴安装高度来对喷雾干涉过程进行控制：当需要尽早产生更多细小液滴时，应采用同一安装高度布置来促使干涉提前发生；若希望抑制多级干涉并获得较大粒径液滴，可适当引入喷嘴高度差使干涉延迟。

3.3　间距差异对雾化特性的影响规律

不同安装间距下，直线排列的雾化干涉行为如图11所示。相较于喷嘴横向间距一致的情况，改变安装间距时，喷雾场在100 mm处出现第3次干涉，经过对计算域SMD计算，不同安装间距下直线排列的SMD值为93.42 μm与同一安装间距仅相差0.4 μm。表明改变安装间距虽然扩展了干涉范围，但对SMD的调控作用仍相对有限。

依据第3.1节中典型截面的选取原则，采用与喷嘴出口等距的典型截面作为指定截面，用于同一安装间距及不同安装间距这2种情况的对比分析。在指定截面处，2种安装方式的雾化粒径与速度分布见图12。受安装间距差异的影响，在近场60 mm处，粒径峰值占比降低了5%，速度量值下降约10%；在干涉中期（80 mm处），粒径峰值占比提升了13%，同时速度峰值向高值区偏移了2 m/s，速度分布区间收窄约1 m/s；在远场110 mm处，粒径峰值占比再次下降10%，而速度分布趋于一致。表明安装间距不同时，近场粒径与速度分布的集中度较低；2次干涉后粒径分布趋于集中，但速度的演化却表现出分化特征；随着干涉区域的延展，间距差异的影响逐渐减弱。

基于上述分析，喷嘴安装间距也可作为优化雾化干涉特性的方式：增大安装间距可延伸喷雾交汇区域，使下游更多区域出现弱干涉现象；减小安装间距则使喷雾在近场迅速发生交汇，提高局部干涉强度。需要指出的是，安装间距的调整对平均粒径的影响并不显著，但能够重塑速度场与干涉强度的空间分布。因此，在造雪应用中可以依据预期雪质及覆盖范围，适当选择喷嘴安装间距。

4　结论

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（1）喷嘴排列方式对多喷嘴协同雾化干涉行为及性能具有显著影响。环形与等边三角形排列雾化均匀性较好，其中，等边三角形排列的SMD值高达94.31 μm，适合追求高效雾化与能效的场景；直角三角形排列易触发多级干涉现象，并伴随着液滴的聚合，适合需要大粒径液滴的场景；直线排列则拥有较强的破碎能力，满足细雾化需求。SMD分析进一步显示，喷嘴间距越小、聚集程度越高，雾化破碎能力反而有所减弱。整体来看，适度干涉有助于液滴的细化与均匀化，而过强干涉则可能在远场引发液滴聚并。此外，也可通过调节喷嘴出口速度进一步优化雾化性能。

（2）喷嘴安装高度对整体雾化性能影响有限，但对干涉行为及近场雾化特性存在一定的影响。安装高度不同时，直线、直角和等边三角形排列对SMD的调控作用有限，它们与各自在同一平面内对应的布局对比，SMD波动不超过0.5 μm。高度差主要在近场增强局部动能与破碎强度，从而改变粒径分布形态与速度峰值；随着喷雾扩散，高度差的影响逐渐衰减。因此，可以通过适当调整安装高度，在一定程度上实现干涉的提前或延后，并对液滴的粒径范围进行有效控制。

（3）喷嘴呈直线排列时，安装间距对雾化粒径（SMD波动0.4 μm）及雾化均匀度的影响较小，但会导致干涉位置后移，近场粒径和速度略为分散，而远场则趋于一致。总体而言，增大间距可以延缓喷流交互，并扩展干涉区域，从而改变雾化发展过程。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2026年第54卷第4期

143

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.001

接收时间：2025-10-15
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-04-30

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收稿日期：2025-10-15
修回日期：2026-02-16

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¹北京建筑大学北京市建筑能源高效综合利用工程技术研究中心，北京 100044

²北京建筑大学建筑用能国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100044

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ltjx/CN/10.3969/j.issn.1005-0329.2026.04.001

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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