噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)水力空化倒藥中空化現(xiàn)象的影響研究

滿海濤，羅興柏，丁玉奎，方文改，閆青春

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.72373部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471900）

噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)水力空化倒藥中空化現(xiàn)象的影響研究

滿海濤1，2，羅興柏1，丁玉奎1，方文改2，閆青春2

（1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003；2.72373部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471900）

噴嘴是產(chǎn)生空化的主要元件，研究分析噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)空化產(chǎn)生的影響，對(duì)提高空化作用效率具有十分重要的指導(dǎo)意義。為探索設(shè)計(jì)應(yīng)用于倒空的噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)空化流場(chǎng)的影響，本文基于FLUENT軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)外的空化流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析流場(chǎng)的速度、汽含率及湍動(dòng)能的分布規(guī)律，分析不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)空化現(xiàn)象的影響，初步選定適合裝藥倒空的噴嘴結(jié)構(gòu)，為以后的倒藥試驗(yàn)提供一定的理論依據(jù)。研究結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)噴嘴都發(fā)生了明顯的空化現(xiàn)象，自激噴嘴和雙錐度噴嘴在噴嘴出口段空化現(xiàn)象明顯，具有較長(zhǎng)的空化區(qū)域，比較適合用于水力空化技術(shù)倒空彈丸裝藥研究。

噴嘴；水力空化；仿真；倒藥

1 引 言

空化是指溫度一定，流體內(nèi)部壓力降低到飽和蒸汽壓時(shí)，開(kāi)始汽化，發(fā)生空化泡初生、膨脹、收縮及潰滅的空化現(xiàn)象?？张轁缢查g，產(chǎn)生的沖擊波或微射流對(duì)裝藥表面有強(qiáng)烈的沖蝕破壞作用［1］。研究表明［2］，在相同泵壓下，空化射流的沖擊效果遠(yuǎn)優(yōu)于高壓連續(xù)水射流，其產(chǎn)生的壓力是連續(xù)射流沖的8.6－124倍，且發(fā)生裝置簡(jiǎn)單，R.E.Kohl將空化現(xiàn)象應(yīng)用于水射流中。在應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，淹沒(méi)條件下空化射流可達(dá)到更好的沖蝕效果，A.L.Licharowice通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明沖蝕效果是同等條件下非淹沒(méi)條件下的2倍。自此，人們對(duì)淹沒(méi)條件下的水力空化射流開(kāi)展了研究，尤其是在不同應(yīng)用領(lǐng)域空化噴嘴的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。由于角型噴嘴和自激振蕩噴嘴加工工藝簡(jiǎn)單，容易控制上下游壓力差，得到了廣泛應(yīng)用，Leach和Walker［3］等人對(duì)角型噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，認(rèn)為最佳結(jié)構(gòu)為噴嘴入口椎角為13.5°，銜接一段長(zhǎng)度為2.5倍噴嘴直徑的直孔（即噴嘴的喉部），Katsuya Yanaida［4］等人對(duì)噴嘴擴(kuò)散角對(duì)空化流場(chǎng)的影響進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，表明擴(kuò)散角在60°時(shí)產(chǎn)生的空化效果最好。國(guó)內(nèi)，張鳳華［5］教授對(duì)角型噴嘴進(jìn)行了研究，表明收縮擴(kuò)散型噴嘴的空化效果最好。沈忠厚［6～7］等在石油鉆井應(yīng)用中，指出自激振蕩噴嘴具有很好的空化效果。典型的角型噴嘴、自激振蕩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Nozzle structure

噴嘴的直徑小，且空化是瞬時(shí)復(fù)雜的過(guò)程，很難用試驗(yàn)手段對(duì)噴嘴內(nèi)部空化進(jìn)行觀察，只能對(duì)空化噴嘴的作用效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，浪費(fèi)了大量的時(shí)間和資源。在已有空泡運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上，Singal等人對(duì)水射流中的空化現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值分析，建立了完全空化模型，基于FLUENT軟件，對(duì)噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的空化場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真模擬［8］。盧玉義［9］等利用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型、RNG k－ε模型和Realizable k－ε模型對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，表明RNG k－ε模型適合角型空化噴嘴，并用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。韓冰［10］等利用RNG k－ε模型，采用SIMPLEC算法對(duì)空化流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并利用試驗(yàn)對(duì)沖擊壓力場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

目前，空化噴嘴的設(shè)計(jì)主要在石油鉆井、材料表面強(qiáng)化及污水處理等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)彈丸裝藥倒空領(lǐng)域還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文擬利用FLUENT軟件，采用混合模型（Mixture Model）和完全空化模型，選擇適合角型噴嘴的RNG k－ε湍流模型和SIMPLEC算法，對(duì)設(shè)計(jì)的三種適合于彈丸倒空的噴嘴內(nèi)外空化流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，探索不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)彈丸倒空中空化流場(chǎng)的影響規(guī)律，這不僅對(duì)水力空化技術(shù)倒空試驗(yàn)具有一定指導(dǎo)，而且也為裝藥倒空組合噴嘴的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可行方法。

2 裝藥倒空噴嘴設(shè)計(jì)

空化噴嘴是空化產(chǎn)生的執(zhí)行元件，合理的噴嘴結(jié)構(gòu)不僅可以保證空化的強(qiáng)度，也可保證倒空設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，空化噴嘴的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單、易于安裝拆卸和維護(hù)。

淹沒(méi)條件下，空化噴嘴的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量誘使空化泡在裝藥表面附近潰滅，有一個(gè)完整的發(fā)展過(guò)程。在已有噴嘴設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，對(duì)典型角型噴嘴進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，提出了雙錐度縮放型噴嘴的設(shè)計(jì)理念，具體的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

3 仿真模型建立

本文利用二級(jí)迎風(fēng)格式對(duì)物理模型進(jìn)行離散，并選取合適的松弛因子使計(jì)算有效收斂，對(duì)噴嘴的空化流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真模擬。

3.1 網(wǎng)格劃分

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Concrete nozzle structure

表1 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Nozzle structural parameters

物理模型由噴嘴、空化容器組成，如圖3所示。模型軸對(duì)稱，選取1／2模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Gambit前處理軟件，對(duì)物理模型進(jìn)行離散化，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)噴嘴入口、出口處局部細(xì)化，噴嘴的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。文獻(xiàn)［11］利用三種尺寸網(wǎng)格對(duì)近壁面的汽含率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)大小對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小。因此，網(wǎng)格的劃分只要能滿足計(jì)算要求即可，本文單錐度噴嘴共劃分61 026個(gè)網(wǎng)格，雙錐度共劃分27 966個(gè)網(wǎng)格，自激噴嘴共劃分35 004個(gè)網(wǎng)格。

圖3 物理模型圖Fig.3 Physicalmodel

圖4 噴嘴網(wǎng)格劃分Fig.4 Nozzle grid division

3.2 模型選擇［12］

3.2.1 多相流模型

FLUENT軟件中的多相流模型，主要有VOF模型、混合模型和歐拉模型三種。VOF模型用于各相互不相容界面間的表面追蹤方法，而空化模型是基于各相之間相互貫穿的連續(xù)性假設(shè)，故VOF模型與空化模型不能同時(shí)使用。歐拉模型雖然計(jì)算精度高，但是穩(wěn)定性較差。混合模型（Mixture Model）是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，基于N－S方程進(jìn)行求解。綜上所述，本文選用混合模型結(jié)合空化模型對(duì)三噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真。

3.2.2 空化模型

本文選用Singal等人提出的完全空化模型，利用汽體的輸運(yùn)方程求解汽體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)f，方程為：

式中：ρ為混合密度；V為汽相速度矢量；γ為有效轉(zhuǎn)換系數(shù)；Re和Rc為汽體生產(chǎn)和凝結(jié)的相變率。

當(dāng)p＞pv時(shí)，

當(dāng)p＜pv時(shí)，

式中：pv為實(shí)際工況溫度下的飽和蒸汽壓；Vch為特征速度；σ為表面張力系數(shù)；Ce和Cc為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取0.02和0.01。

3.3 控制方程

本文采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解，方程為：

3.4 邊界條件

根據(jù)實(shí)際工況和物理模型，設(shè)置邊界條件：

（1）入口施以壓力入口，壓力為12 MPa，縮放型噴嘴入口直徑為10 mm，自激噴嘴為5 mm；

（2）出口施以壓力出口，壓力為大氣壓，出口直徑為2 mm；（3）采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面光滑無(wú)滑移；（4）過(guò)程不發(fā)生熱量交換，不考慮能量方程，水溫恒為20℃。

4 不同結(jié)構(gòu)噴嘴內(nèi)外空化流場(chǎng)特性研究

4.1 速度場(chǎng)的分布

對(duì)不同結(jié)構(gòu)噴嘴在入口壓力為12MPa時(shí)的速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，速度云圖如圖5所示，在軸向方向速度散點(diǎn)分布如圖6所示。

通過(guò)圖5可以看出，水力空化射流速度在噴嘴喉部達(dá)到最大值（圖中紅色區(qū)域），存在等速流核區(qū)，這與淹沒(méi)射流理論是相符的［13］，這也驗(yàn)證了仿真模型的正確性。在垂直于軸線方向的速度梯度變化明顯，在等速流核區(qū)末尾，流場(chǎng)的速度迅速降低。

圖5 不同結(jié)構(gòu)噴嘴速度場(chǎng)分布圖Fig.5 Velocity field distribution of nozzle w ith different structure

圖6 軸向方向速度散點(diǎn)分布Fig.6 Distribution of axial velocity dispersion

由圖6可以看出，噴嘴的速度場(chǎng)分布大致是一致的，速度的極值大小基本相等，在噴嘴收縮段存在較大的速度梯度。單錐度噴嘴的速度核心區(qū)要長(zhǎng)于其他兩個(gè)噴嘴。在噴嘴出口外的流體流場(chǎng)，自激噴嘴的速度要大于縮放型型噴嘴，雙錐度噴嘴要大于單錐度噴嘴。隨著噴嘴喉部長(zhǎng)度的改變，自激噴嘴和雙錐度噴嘴的流場(chǎng)速度極值逐步向噴嘴出口方向移動(dòng)，在距離噴嘴出口30mm左右各結(jié)構(gòu)噴嘴的速度基本相同。

4.2 汽含率的分布

流體發(fā)生空化現(xiàn)象時(shí)，必然產(chǎn)生空化泡，則會(huì)有汽體組分的存在。汽含率就是汽體在流體中所占的體積分?jǐn)?shù)，汽含率越高，流體中空化泡所占的體積分?jǐn)?shù)也越高，空化現(xiàn)象也就越強(qiáng)烈，故可以用汽含率標(biāo)定空化的強(qiáng)度。不同噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)汽含率分布如圖7所示。

圖7 汽含率分布規(guī)律Fig.7 Cavity density distribution

通過(guò)圖7可以看出，在噴嘴的截面積發(fā)生突然變化的地方都發(fā)生了明顯空化現(xiàn)象，在靠近噴嘴壁面的地方空化強(qiáng)度更強(qiáng)，這與文獻(xiàn)［14］的結(jié)果是一致的，說(shuō)明設(shè)計(jì)的空化噴嘴在給定的工作條件下，均能有效的發(fā)生空化現(xiàn)象，也驗(yàn)證了數(shù)值仿真的正確性。而且自激噴嘴的汽含率分布最為集中，縮放型噴嘴汽含率分布相對(duì)分散，雙追度噴嘴和自激噴嘴在噴嘴出口處發(fā)生了強(qiáng)烈的空化現(xiàn)象。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，噴嘴的結(jié)構(gòu)對(duì)汽含率的分布有比較大的影響。雙錐度的設(shè)計(jì)，使得流場(chǎng)逐步向喉部過(guò)渡，到噴嘴擴(kuò)張段，噴嘴截面積發(fā)生突然變化，增加了射流的出口面積，加速了射流與靜態(tài)水的剪切渦流，促使了靜態(tài)水中空化的產(chǎn)生。

4.3 湍動(dòng)能的分布

湍動(dòng)能代表流體的紊亂程度。淹沒(méi)條件空化射流的沖蝕效果之所以好于非淹沒(méi)射流，是由于高速度的空化射流射入靜止流體后，在流體中形成了強(qiáng)烈的湍流，由于流體的剪切作用，引起了空化現(xiàn)象的發(fā)生，加劇了流場(chǎng)的空化強(qiáng)度。流場(chǎng)中，不同結(jié)構(gòu)噴嘴的湍動(dòng)能布規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)噴嘴湍動(dòng)能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of nozzle w ith different structure

通過(guò)圖8可以看出，流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)都有一個(gè)湍動(dòng)能極值，單錐度噴嘴的湍動(dòng)能極值最大，自激噴嘴和雙錐度噴嘴極值基本相同。噴嘴出口處以后單錐度噴嘴，衰減速度最快。不同噴嘴的湍動(dòng)能極值位置為：?jiǎn)五F度噴嘴在軸向7mm左右，雙錐度噴嘴在10mm左右，自激噴嘴大概在15mm左右。在噴嘴出口處以后，自激噴嘴的湍動(dòng)能要大于縮放型噴嘴。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，噴嘴喉部的長(zhǎng)度對(duì)空化區(qū)域的分布有一定的影響。三種噴嘴的喉部長(zhǎng)度大小為：自激噴嘴＜雙錐度噴嘴＜單錐度噴嘴，隨著噴嘴喉部長(zhǎng)度的縮短，空化現(xiàn)象逐步向噴嘴出口處游移，而且湍流區(qū)也越來(lái)越長(zhǎng)，空化的作用區(qū)域也越長(zhǎng)。

5 結(jié) 論

（1）噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流體空化的產(chǎn)生及分布有比較大的影響，設(shè)計(jì)的噴嘴在給定的條件下都產(chǎn)生了明顯的空化現(xiàn)象；

（2）雙錐度噴嘴的空化效果優(yōu)于典型的單錐度噴嘴，在噴嘴出口處產(chǎn)生了明顯的空化現(xiàn)象；

（3）自激噴嘴的空化區(qū)域相對(duì)集中，縮放型噴嘴則相對(duì)分散，擴(kuò)散角的改變對(duì)空化強(qiáng)度有一定影響，本文中自激噴嘴出口處空化強(qiáng)度要好于縮放型；

（4）對(duì)于倒空裝藥，初步選定雙錐度縮放型噴嘴和自激噴嘴，用于后續(xù)裝藥倒空試驗(yàn)。

（5）倒空中最佳噴距雙錐度噴嘴在10mm左右，自激噴嘴在15mm左右。

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滿海濤 男（1987－），山東滕州人，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺椝庝N(xiāo)毀及其再利用研究。

羅興柏 男（1962－），安徽蕪湖人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺椝幭到y(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評(píng)估。

Research on the Effect of Nozzle Structure on Cavitation Phenomenon of Explosive Removal using Hydrodynam ic Cavitation

MAN Haitao1，2，LUO Xingbai1，DING Yukui1，F(xiàn)ANGWengai2，YAN Qingchun2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.No.72373 Unit of PLA，Luoyang 471900，China）

Nozzle is themajor component to trigger cavitation phenomenon.For the nozzle structure has an effect on the cavitation producing，the related study has particular significance to improving the cavitation efficiency.In order to explore the influence on the structure of the nozzle that used on the explosive removal.The cavitation flow fields of three type of nozzle included single cone angles convergent-divergent nozzle，double cone angles convergent-divergent nozzle and self-excited nozzle are simulated using FLUENT software.Through analyzing the velocity of flow field，cavity density and distribution of turbulent kinetic energy，and discussing the effect of different types of nozzle on cavitation phenomenon，the nozzle structure which is fit for explosive removal is selected，which provided a theoretical basis for explosive removal experiment.The results show that obvious cavitation phenomenon occurs utilizing all of these nozzles.The nozzle exit areas of self-excited nozzle and double cone angles nozzle appear obvious cavitation phenomenon and w ide cavitation area，and therefore these two nozzles are suit for explosive removal using hydrodynam ic cavitation.

nozzle；hydrodynam ic cavitation；numerical simulation；explosive removal

TJ 410.89

A