高壓噴嘴的射流仿真研究

張 振，章巧芳

（浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

高壓水射流技術(shù)是近20年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，其基本原理是將水用高壓從噴嘴處壓出以形成射流動能［1］。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，高壓水射流技術(shù)得到了長足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于除銹除層、工業(yè)清洗、水力切割以及鉆孔開采等［2-3］。因其具有環(huán)保、能量集中、成本低、操作方便等優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。而高壓噴嘴作為高壓水射流系統(tǒng)中的一個重要元件，它的結(jié)構(gòu)及性能直接影響著高壓水射流效果的好壞［4］，故而對高壓噴嘴的研究有著非常重要的意義。重慶大學(xué)的葛兆龍，盧義玉等人［5］利用Fluent 研究了水力噴砂射孔噴嘴的長徑比對出口沖蝕性能的影響后得出結(jié)論：長徑比為1.8時，出口射流速度和動能最大。武漢科技大學(xué)的朱學(xué)彪、陳奎生等人［6］利用Fluent對高壓水除磷噴嘴的流場情況進(jìn)行了研究后得出結(jié)論：噴嘴的出口速度與系統(tǒng)壓力成正比，與噴射距離成反比。

本研究在對高壓噴嘴建立有限元模型的基礎(chǔ)上，使用流體仿真軟件Fluent 對不同收縮角噴嘴的內(nèi)、外流場進(jìn)行仿真，并對淹沒射流和非淹沒射流兩種噴嘴射流方式分別進(jìn)行仿真，然后對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對比分析，得出不同收縮角和不同的射流方式對高壓水射流性能的影響曲線，為進(jìn)一步研究高壓水射流提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 流場基本理論

本研究所涉及到的為不可壓縮連續(xù)流動，故而需滿足流體流動的連續(xù)方程式和動量守恒方程式如下：

連續(xù)方程：

式中：ρ—密度；t—時間；u—速度矢量；u,v,w—速度矢量u在x、y和z方向的分量。

動量守恒方程：

式中：grad()=?()?x+?()?y+?()?z；符號S u,S v,S w—動量守恒方程的廣義源項。

又因在噴嘴噴射的過程中和氣體有能量的交換，所以還應(yīng)滿足能量守恒方程式［7］：

式中：cp—比熱容，T—溫度，k—流體的傳熱系數(shù)，S T—流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分［8］。

2 噴嘴的模型建立及邊界條件的確定

2.1 噴嘴的幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究所采用的噴嘴幾何模型屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，為了減少仿真的計算量，筆者選取一半作為計算區(qū)域，為了仿真得出噴嘴外流場的流動情況，在噴嘴的外部建了一個很大的區(qū)域作為噴嘴外部射流區(qū)域［9］。

其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：AB=2.5 mm，C D=1 mm，C I=220 mm，H I=20 mm，AD與BC的夾角為收縮角的一半［10］。

圖1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究將幾何模型導(dǎo)入到Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于噴嘴內(nèi)部、出口處以及流場軸線上的流場速度變化比較大，為了準(zhǔn)確地反映流場的變化情況，本研究對這3個地方進(jìn)行網(wǎng)格的加密，其余部分網(wǎng)格相對稀疏［11］。因為三角形網(wǎng)格具有更好的配合性，故而整個模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2.2 邊界條件的確定

本研究采用多相流中的混合模型，其中AB為噴嘴入口，邊界條件為壓力入口（pressure inlet），壓力值為20 MPa；AD、D E、EF、F G均為無滑移邊界壁面（wall）；H I、G H為壓力出口（pressure outlet），壓力值為0 Pa；操作壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；BC、C I邊界條件為對稱軸邊界（aix）；C D為默認(rèn)的interior邊界。

3 流場仿真結(jié)果分析

3.1 同一噴嘴淹沒射流與非淹沒射流仿真結(jié)果

一股速度很大的流動射入周圍流體時所形成的流動，稱之為射流。而按照射流周圍介質(zhì)的性質(zhì)，射流又可以分為淹沒射流和非淹沒射流。若射流介質(zhì)與周圍介質(zhì)相同則稱為淹沒射流，若不同則稱為非淹沒射流［12］。淹沒射流因為周圍介質(zhì)為同一種介質(zhì)，故而射流的能量很快就傳遞到了周圍介質(zhì)中，這也就決定了淹沒射流在出口處有一個短暫的加速之后速度會很快降低。而非淹沒射流如水射入空氣中，因空氣對水的阻力較小，故而軸線上的速度減弱較慢。

噴嘴在20 MPa的壓力下，以水為介質(zhì)的高壓噴嘴淹沒射流與非淹沒射流的速度云圖如圖2、圖3所示。

從圖中可以很清晰地看出，兩種射流情況的基本形狀大致一致，但淹沒射流的軸向速度變化很明顯，從最大值經(jīng)過很短的時間就減小到很小的程度，而非淹沒射流雖然也有一個減速的趨勢，但減小的很少，在很短的距離內(nèi)很難看到變化量，這與理論分析的結(jié)果相吻合。另外，這也表明非淹沒射流對于高壓水射流的能量集中起著積極的作用。

圖2 高壓噴嘴淹沒射流速度云圖

圖3 高壓噴嘴非淹沒射流速度云圖

3.2 相同壓力不同收縮角條件下噴嘴仿真結(jié)果分析

噴嘴在壓力為20 MPa 條件下，收縮角為10°時的非淹沒射流的速度云圖如圖4所示。

圖4 收縮角為10°時高壓噴嘴速度云圖

本研究將圖4 與圖3所示收縮角為30°的非淹沒射流的速度云圖相對比，可以看出，兩者的流場的形狀大致相同，但很明顯速度的變化趨勢有所不同。

壓縮角分別為5°、10°、30°、60°時軸向的速度變化曲線如圖5所示。從圖5 中可以看出當(dāng)收縮角為10°時速度最為集中且穩(wěn)定性比較好，這表明，在其他條件相同的情況下，收縮角為10°的非淹沒射流噴嘴的高壓水射流沖擊力最大。這也表明此種條件是最優(yōu)選擇。

4 結(jié)束語

本研究先對高壓噴嘴進(jìn)行了模型的建立以及網(wǎng)格的劃分，然后通過使用Fluent 數(shù)值仿真軟件對高壓噴嘴的淹沒射流和非淹沒射流以及不同收縮角條件下同一噴嘴的非淹沒射流進(jìn)行仿真，并通過后處理提取出噴嘴內(nèi)外流場的速度分布，分析比較了不同噴射方式以及不同收縮角的情況下，高壓噴嘴速度的集中性和穩(wěn)定性。

研究結(jié)果表明，非淹沒射流比淹沒射流具有更好的軸向速度集中性，而且當(dāng)收縮角為10°時速度更加穩(wěn)定；在其他條件相同的情況下，選擇收縮角為10°的噴嘴進(jìn)行非淹沒射流更有利于高壓噴射系統(tǒng)的使用，這對高壓噴嘴的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 不同收縮角時軸向速度變化曲線

（References）：

［1］莊靜偉，王 強，史 亮，等.高壓水射流的發(fā)展與應(yīng)用［J］.中國水運，2007，7（10）：124-125.

［2］陳 亮.高壓水射流扇形噴嘴內(nèi)外流場仿真分析［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2009.

［3］梁 杰.機器人高壓火射流去毛刺系統(tǒng)的研究［J］.機電工程技術(shù)，2012，41（7）：28-30.

［4］付曙光.高壓水除鱗噴嘴射流特性的CFD仿真［D］.武漢：武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，2007.

［5］葛兆龍，盧義玉，左偉芹，等.水力噴砂射孔噴嘴的數(shù)值模擬及實驗研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報，2011，32（3）：119-123.

［6］朱學(xué)彪，陳奎生，王 毅，等.高壓除磷噴嘴噴射流場數(shù)值模擬與實驗分析［J］.機械設(shè)計與制造，2009（5）：217-219.

［7］趙漢中.工程流體力學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

［8］王福軍.計算流體動力學(xué)分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［9］周文會.高壓水射流噴嘴內(nèi)外部流場的數(shù)值模擬研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，2008.

［10］ARIKAN M A S，BALKAN T.Process modeling，simula?tion，and paint thickness measurement for robotic spray painting［J］.Journal of Robotic Systems，2000，17（9）：479-494.

［11］SHAH U，ZHU J，SENIOR J H N.Numerical investigation of coarse powder and air flow in an electrostatic powder coating process［J］.Powder Technology，2006，164（1）：22-32.

［12］劉麗芳，黃傳真，朱洪濤，等.基于FLUENT的非淹沒式純水射流噴嘴內(nèi)部流場仿真［J］.制造技術(shù)與機床，2010（10）：56-60.