基于ICEM CFD與ANSYS FLUENT的熱力射流噴嘴流場分析

周建釗，徐肖攀，朱自成，劉宇晨，儲(chǔ)偉俊，賴思偉

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007;2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)

0 前言

冬季路面覆冰使路面附著系數(shù)急劇降低，造成過往車輛打滑、制動(dòng)距離延長，甚至剎車失靈、方向失控等，從而造成嚴(yán)重的交通事故［1－2］。為了保證交通順暢和行車安全，提高道路通行能力和運(yùn)營效益，必須采取有效的措施清除路面冰雪［2－4］。以下簡要介紹了前期的研究成果:熱力射流—機(jī)械銑削復(fù)合除冰技術(shù)［2，5］，先利用熱力射流技術(shù)將完整的冰面切割成獨(dú)立的冰塊區(qū)域，再利用機(jī)械銑削切割的方法將冰塊切除。其中，熱力射流是整個(gè)裝置最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

水射流切割技術(shù)是近20年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它利用高壓水壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓水，通過急劇收縮的噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，以高速、集聚的射流進(jìn)行噴射，完成對物件的清洗、切割、破碎等工作［6］。噴嘴是水射流技術(shù)的關(guān)鍵裝置，它是通過內(nèi)孔橫截面的收縮，將高壓水的壓力能匯聚，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行噴射［7］。為提高除冰效率，熱力水射流在切冰環(huán)節(jié)應(yīng)具有良好的集聚性與射流速度，以便將冰面快速切割，為機(jī)械銑削做好準(zhǔn)備。為此，本文作者綜合運(yùn)用數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對射流流場的影響進(jìn)行研究。

1 除冰裝置設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了以城市道路灑水車為載體的熱水射流機(jī)械復(fù)合除冰裝置，除冰裝置加掛在灑水車的后部，灑水車主要用于提供射流所需的水和增壓系統(tǒng)，除冰裝置主要由加熱混合系統(tǒng)、射流切割系統(tǒng)和機(jī)械除冰系統(tǒng)組成。其中加熱混合裝置用于加熱灑水車提供的冷水并將加熱后熱水與環(huán)保型融冰劑混合。為提高效率，加熱系統(tǒng)還具有融化冰雪功能，通過利用燃料鍋爐排放的高溫廢氣融化收集的冰雪以現(xiàn)地補(bǔ)充除冰所需水，實(shí)現(xiàn)資源再利用［2，5］。為實(shí)現(xiàn)將路面覆冰切割為獨(dú)立冰塊，設(shè)計(jì)了如圖1所示噴射裝置，其底部安裝有兩組噴頭，每組包含30—40 個(gè)噴嘴，噴頭直線等間距排列。噴頭可以劃分為兩類:錐形噴頭和錐直形噴頭。

圖1 熱力水射流裝置的設(shè)計(jì)

2 建立噴嘴射流的數(shù)學(xué)模型

水射流常常涉及兩相及多相混合的介質(zhì)射流，流動(dòng)機(jī)制比較復(fù)雜［6］。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，利用計(jì)算機(jī)對流體相對于不同固體邊界的內(nèi)外流場進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。它克服了傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究的弱點(diǎn)，通過對流場的整體狀況進(jìn)行研究，能夠準(zhǔn)確把握流場的產(chǎn)生、壓力、溫度、速度等隨時(shí)間的分布情況，以便后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［7－8］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與CFD 理論研究的不斷發(fā)展，關(guān)于CFD 的應(yīng)用軟件也逐漸興起。其中，F(xiàn)LUENT 是相對成熟、運(yùn)用最為廣泛的流體分析軟件。它基于有限體積法對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，使用者可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)立初始條件及邊界條件，選擇相應(yīng)的計(jì)算模型進(jìn)行求解。

根據(jù)除冰裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要研究非淹沒射流下的噴嘴流場的變化過程。不可壓縮流體在空間直角坐標(biāo)系的連續(xù)性方程為［9］:

式中:vx、vy、vz分別為x、y、z 3 個(gè)方向的速度分量，單位為m/s;t 為時(shí)間變量，單位為s;ρ 為流體密度，單位為kg/m3。由于噴嘴口的橫截面積急劇收縮，射流在流經(jīng)此處時(shí)呈高速湍流狀態(tài)。因此，采用標(biāo)準(zhǔn)的κ－ε［6，9］方程，其湍流動(dòng)能κ 與耗散率ε 的表達(dá)式分別為:

其中:

式中:Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能;YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總的耗散率的影響;C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其在FLUENT 中的默認(rèn)值分別為1.44、1.92、0.09;σk、σε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率對應(yīng)的普朗特常數(shù)，其在FLUENT 中的默認(rèn)值分別為1.0 和1.3;Prt為湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)，一般為0.85。gi為重力加速度在i 方向上的分量;β 為熱膨脹系數(shù);Mt為馬赫數(shù);a 為聲速。

3 建立噴嘴幾何模型并劃分網(wǎng)格

錐形噴嘴和直形噴嘴如圖2所示，其入口直徑D為1 cm，出口直徑d 為1 mm，錐角α 為80°，圖2(b)中L/d=2，以上數(shù)據(jù)均為實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際使用的噴嘴基本尺寸。運(yùn)用ANSYS14.0 自帶的網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD 分別建立兩種噴嘴的二維模型，如圖3、4所示。在網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到計(jì)算邊界結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。它可以有效消除結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，提高計(jì)算的靈活性與準(zhǔn)確性。

圖2 兩種類型噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 錐形噴嘴內(nèi)外流場網(wǎng)格劃分

圖4 錐直形噴嘴內(nèi)外流場網(wǎng)格劃分

在圖3所示的錐形噴嘴模型中，入口邊界IN 為AB，出口邊界OUT 為CD、DE、FE，噴嘴壁面邊界WALL 設(shè)定為BJ、JI、IH、HG、GC，對稱軸AXIS 為AF。同樣，在圖4所示的錐直形噴嘴模型中，入口邊界IN 為AB，出口邊界OUT 為CD、DE、FE，噴嘴壁面邊界WALL 設(shè)定為BL、LK、KJ、JI、IH、HG、GC，對稱軸AXIS 為AF。由于在熱力射流除冰裝置中，設(shè)計(jì)噴頭與冰面之間的靶距為7 ～8 cm，因此在ICEM CFD 中建立外部流場，其基本尺寸為50 mm ×100 mm。

4 ANSYS FLUENT 流場仿真與結(jié)果分析

由于非淹沒射流條件下射流噴出孔口時(shí)與外部空氣進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)量與能量交換，因此射流的工作介質(zhì)(水)和環(huán)境介質(zhì)(空氣)在外部流場相互混合，使流體呈現(xiàn)為氣液兩相混合介質(zhì)射流。因此，在計(jì)算時(shí)選用Mixture 兩相流模型，采用k－ ε 湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。根據(jù)所選用的抽水泵流量參數(shù)，可得噴嘴入口平均流速為2 m/s。因此，設(shè)置入口邊界為Velocity-inlet，速度為2 m/s，出口邊界選擇Outflow。

設(shè)置Axis、Wall、Surface 在FLUENT 中對應(yīng)的邊界模型，同時(shí)對計(jì)算殘差Residual、迭代次數(shù)iterations 等進(jìn)行設(shè)置，并初始化計(jì)算模型，之后開始計(jì)算。

4.1 噴嘴的軸向速度分析

采用了兩種噴嘴進(jìn)行仿真，噴嘴的圓錐段尺寸及收縮角參數(shù)完全相同。其中，錐直形噴嘴出口圓柱段的長徑比L/d=2。從軸向速度分布云圖5、6 中可以看出:錐形噴嘴的軸向最大速度為248 m/s，略大于錐直形噴嘴的軸向最大速度245 m/s;錐形噴嘴的等速核長區(qū)大于錐直形噴嘴;此外，從仿真結(jié)果中可以得出:錐形噴嘴的射流集聚性明顯大于錐直形噴嘴，具有較大的紊流動(dòng)能和較小的紊流能量耗散率。

圖5 錐形噴嘴軸向速度分布

圖6 錐直形噴嘴軸向速度分布

根據(jù)實(shí)際流體的伯努力方程:

式中:z1、z2分別表示孔口前后流體的高度;p1、p2分別表示孔口前后的相對壓力;α1、α2分別為孔口前后的水頭系數(shù);ρ、g 分別為流體密度與重力加速度;v1、v2分別表示孔口前后流體的速度;hf表示為壓力損失。從而可以得出:

根據(jù)水射流噴嘴尺寸及射流特點(diǎn)，選定參數(shù)代入式(6)計(jì)算可得:v2為242 m/s，與仿真結(jié)果基本吻合。

圖7、8 分別為錐形、錐直形噴嘴的軸向速度隨流場軸向位置變化的分布曲線。其中，縱坐標(biāo)表示軸向速度，橫坐標(biāo)表示軸向位置變化。從中可以看出:當(dāng)軸向距離為0 ～15 mm 之間時(shí)，錐形與錐直形噴嘴的軸向速度均為入口速度2 m/s;當(dāng)軸向距離為15 ～20 mm 之間時(shí)，由于流體流經(jīng)收縮錐面，軸向速度均急劇增大，錐形噴嘴的曲線斜率更大，變化更劇烈;當(dāng)軸向距離為20 mm 時(shí)，射流速度達(dá)到最大;當(dāng)軸向大于20 mm 時(shí)，錐形噴嘴的噴射速度急劇減小，錐直形噴嘴的射流速度變化則比較平緩。表1 為兩種噴嘴的仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)計(jì)算值，其中仿真結(jié)果相對于理論計(jì)算結(jié)果略微偏大，但均在誤差范圍內(nèi)。綜上所述，與錐直形噴嘴相比，錐形噴嘴的速度變化更為劇烈，易對裝置產(chǎn)生造成振動(dòng)和沖擊。

圖7 錐形噴嘴軸向速度分布曲線

圖8 錐直形噴嘴軸向速度分布曲線

表1 兩種噴嘴的仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)表

4.2 錐直形噴嘴的動(dòng)壓分析

圖9、10 分別為錐直形噴嘴的動(dòng)壓分布圖和軸向動(dòng)壓分布曲線。從圖9 中可以看出:位于噴嘴入口處與外部流場中遠(yuǎn)離噴嘴出口的壓力變化接近于0;越靠近噴嘴出口，壓力變化越大。這是因?yàn)榱黧w流經(jīng)錐面時(shí)，受到收縮壁面的強(qiáng)烈作用力而導(dǎo)致內(nèi)部壓力急劇增大。從圖10 中可以看出，在接近噴嘴出口的圓柱段，動(dòng)壓先急劇減小又急劇增大。這是由于流體經(jīng)過錐形收縮面與出口圓柱段的邊緣時(shí)，由于流動(dòng)方向的突然改變而產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象。在收縮端面上，噴嘴的環(huán)境壓力為負(fù)壓。這有助于抽吸短管上游的水，增加裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。

圖9 錐直形噴嘴軸向動(dòng)壓分布

圖10 錐直形噴嘴軸向動(dòng)壓分布曲線

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，選用如圖11所示的直徑均為1 mm 的錐形與錐直形噴嘴，在平均入口流速為2 m/s的條件下，進(jìn)行試驗(yàn)。圖12 為兩種噴嘴射流集聚性比較，其中圖12(a)為錐形噴嘴的射流形狀，圖12(b)為錐直形噴嘴的射流形狀，黑色標(biāo)志為射流等速核長區(qū)域。從圖11 及表2 中可以看出:錐形噴嘴比錐直形噴嘴的射流集聚性更高，等速核長度更大。

圖11 錐形與錐直形噴嘴

圖12 相同孔徑的錐形與錐直形噴嘴的射流集聚性比較

表2 兩種噴嘴的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

6 結(jié)論

通過對錐形與錐直形噴嘴進(jìn)行流場仿真和試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論:

(1)流體的速度在噴嘴的收縮段迅速增加，在噴嘴出口處會(huì)形成一個(gè)等速流核區(qū)。在相同邊界條件和初始條件下，錐形噴嘴的等速核區(qū)大于錐直型噴嘴。

(2)當(dāng)射流流經(jīng)噴嘴收縮段時(shí)，其速度梯度增大。錐形噴嘴的速度變化率比錐直形噴嘴的大，因而易對噴射裝置產(chǎn)生沖擊，降低裝置運(yùn)行的平穩(wěn)性。

(3)由于頸縮現(xiàn)象的存在，錐直形噴嘴的出口圓柱段極易形成負(fù)壓，這有助于抽吸負(fù)壓截面上游的水到下游出口，提高流量的連續(xù)性，使裝置運(yùn)行更趨平穩(wěn)。

(4)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):錐形噴嘴的等速核長區(qū)域明顯大于錐直形噴嘴，射流集聚性更高，再次驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和正確性。

［1］SANZO D，HECNAR S J.Effects of Road Deicing Salts(NaCl)on Larval Woodfrogs［J］.Journal of Environmental Pollution，2006，140(2):247－256.

［2］周建釗，黎聰，儲(chǔ)偉俊，等.熱力－水射流快速融除道路覆冰車的研制［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(8):113－115.

［3］張洪偉，韓森，劉洪輝，等.瀝青路面除冰雪技術(shù)綜述［J］.黑龍江交通科技，2008，31(3):8－9.

［4］鄧洪超，馬文星，荊寶德，等.道路冰雪清除技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.工程機(jī)械，2005(12):41－44.

［5］ZHOU Jianzhao，LAI Siwei，XU Xiaopan，et al.R＆D of Equipment for Deicing by Thermal Water-jet and Mechanical Deicing Method［C］//IEEE Int.Conf.on Applied Mechanics，Materials and Manufacturing，Changchun，China，2012:1288－1293.

［6］楊國來，周文會(huì)，劉肥.基于FLUENT 的高壓水射流噴嘴的流場仿真［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(2):49－52

［7］LINGENFELDER Tobias，F(xiàn)ISCHER Klaus，SOLD Moritz G，et al.Combination of Water-jet Dissection and Needleknife as A Hybrid Knife Simplifies Endoscopic Submucosal Dissection［J］.Journal of Surg.Endosc，2009(23):1531－1535.

［8］CADAVID R，USTENBERG D W，LOUIS H，et al.Effect of Helium Atmospheres on Abrasive Suspension Water Jets［J］.Journal of Advanced Manufa.Technol.，2005(26):1246－1254.

［9］王東，吳雨川，羅維平，等.高壓水射流切割流場的數(shù)值模擬研究［J］.武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18(3):15－18.