異形中心體誘發(fā)空化射流的數(shù)值模擬研究

鄧松圣，廖 松，于以兵，管金發(fā)

1 前言

空化水射流是一項近些年來興起的新型高科技技術(shù)，具有高效、清潔、低成本、安全可靠等優(yōu)點［1~5］。目前空化水射流的應(yīng)用范圍越來越廣，比如在煤礦開采、船舶清洗、石油鉆井、有毒物質(zhì)降解等方面都有較為廣泛的應(yīng)用［6］。然而空化噴嘴的研究主要集中在自激振蕩噴嘴［7,8］、角形噴嘴［9,10］，其研究在理論、試驗和數(shù)值模擬方面都比較成熟。對于柱塞式中心體噴嘴，由于制造工藝等問題，對其空化水射流的研究和報道較少［8］。本文對一種新型中心體噴嘴的空化射流進(jìn)行研究，根據(jù)繞流型空化原理探索中心體噴嘴空化射流產(chǎn)生的機理；可為中心體噴嘴的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)，為空化射流實際應(yīng)用于油罐清洗除銹提供一種新方式，提高作業(yè)效率和生產(chǎn)安全。

筆者提出將異形中心體與錐形噴嘴組合產(chǎn)生空化射流的思路，通過數(shù)值模擬來分析異形中心體形狀產(chǎn)生空化射流流場的特性。由于空化射流產(chǎn)生的流場復(fù)雜，目前還不能夠定量準(zhǔn)確的測量分析空化流場的形態(tài)、空化效果所能擴(kuò)散的距離以及空化與流場之間的相關(guān)性［9,10］。本文設(shè)計3種不同結(jié)構(gòu)的中心體噴嘴:外噴嘴采用錐形噴嘴，中心體分別采用平頭柱體、90°錐形柱體和半球形柱體。采用FLUENT軟件，對設(shè)計的3種不同結(jié)構(gòu)的中心體噴嘴射流流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬獲得流場的關(guān)鍵參數(shù)分布，從而對3種不同中心體噴嘴的空化射流性能進(jìn)行對比分析。

圖1 中心體噴嘴結(jié)構(gòu)和三種不同噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 物理模型

通過將中心體與錐形噴嘴鑲嵌組合，構(gòu)造成含中心體結(jié)構(gòu)的噴嘴，錐形噴嘴收縮角為150，出口段長度為6 mm，直徑為4 mm，中心體直徑為2 mm，中心體底端距噴嘴出口距離為1 mm，中心體和噴嘴壁面間的流道間隙都為1 mm，這樣就保證了3種噴嘴在結(jié)構(gòu)上只有中心體形狀不同，噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

3 數(shù)值計算

3.1 模型網(wǎng)格劃分

計算流場區(qū)域包括噴嘴出口區(qū)域和一個相對于噴嘴較大的矩形區(qū)域。利用Solidworks建立二維噴嘴模型，導(dǎo)入到ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因為計算區(qū)域成軸對稱，為加速計算，計算模擬在射流半個縱向截面的求解域上進(jìn)行；采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于在含中心體噴嘴出口區(qū)域，水與外界介質(zhì)存在強烈的相互作用，在該處對網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密處理，以促使計算迭代和得到理想的結(jié)果，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 流場計算網(wǎng)格圖

3.2 數(shù)學(xué)控制方程

控制方程用有限體積法進(jìn)行離散，模擬采用基于壓力的求解器，壓力速度耦合采用SIMPLEC的計算方法，離散格式采用二階迎風(fēng)格式；湍流模型選用Realizable 模型，多相流模型采用Mixture模型［14,15］。

混合模型的連續(xù)性方程為：

式中 ρm——混合物的密度

vm——混合物的速度

m——下標(biāo)，混合物

混合模型的動量方程為：

空化氣穴模型體積分?jǐn)?shù)方程為：

式中 η——質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)

αp——空泡體積分?jǐn)?shù)

v ——下標(biāo)，汽化水

3.3 邊界條件

計算區(qū)域入口設(shè)為壓力入口，壓力大小為12 MPa，射流進(jìn)口水流溫度為300 K，水的飽和蒸汽壓為3540 Pa，計算區(qū)域出口設(shè)為壓力出口，壓力大小為101325 Pa，在固壁上采用無滑移條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，忽略重力作用。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在相同的操作參數(shù)條件下，對3種不同中心體噴嘴射流流場進(jìn)行模擬計算，模擬計算結(jié)構(gòu)與分析如下。圖3顯示了3種不同中心體噴嘴的速度云圖和噴嘴軸心處的速度。

圖3 含3種不同中心體噴嘴的速度云圖和噴嘴軸心處的速度

由圖3可知：噴嘴內(nèi)中心體前端速度為0，中心體前端附近速度出現(xiàn)波動，射流速度較小，速度最大為18.3 m/s，此時靜壓較大，這主要是因為流體繞過中心體底端時產(chǎn)生了回流，出現(xiàn)駐點，且回流慢慢向前延伸，引起速度波動，但幅度較小。平頭柱體噴嘴的回流區(qū)域最大，90°錐形柱體噴嘴次之，半球柱體噴嘴最小。隨著射流遠(yuǎn)離中心體，壓能轉(zhuǎn)換為動能，速度增大，半球柱體噴嘴在軸心上速度增加最快，90°錐形柱體噴嘴速度增加最慢，3種不同中心體的噴嘴軸心處速度都在30 mm處達(dá)到最大，且在30 mm左右存在速度核心區(qū)，半球柱體噴嘴在軸心30 mm處達(dá)到的速度最大，為138.6 m/s。過了核心區(qū)后，速度急劇下降，平頭柱體噴嘴沿軸向速度下降最快，半球柱體噴嘴和90°錐形柱體噴嘴下降速度幾乎一樣，在距中心體底端60 mm后，3種噴嘴速度下降趨勢一樣，且速度較小。

圖4 3種不同中心體噴嘴的壓力云圖

圖4顯示了3種不同中心體噴嘴的壓力云圖，由于壓力范圍跨度大，如果壓力顯示區(qū)間選擇整個范圍，則不能很好地顯示低壓區(qū)的情況。因此，在對壓力云圖進(jìn)行后處理的時候，在作圖時對顯示范圍作了自定義，圖中顯示的是壓力范圍為3540~100000 Pa。

圖5 含3種不同中心體噴嘴的氣含率云圖和空化體積關(guān)系

由圖4可以看出，在噴嘴內(nèi)中心體前端出現(xiàn)了明顯的負(fù)壓，部分區(qū)域的絕對壓力低于水在300 K時的飽和蒸汽壓3540 Pa，低壓會促使氣核的生長，這為空化產(chǎn)生提供了條件。90°錐形柱體噴嘴和半球柱體噴嘴的低壓區(qū)域明顯比含平頭柱體噴嘴的低壓區(qū)域大，且沿軸心擴(kuò)散得更遠(yuǎn)，而半球柱體噴嘴產(chǎn)生的低壓區(qū)域徑向擴(kuò)散比90°錐形柱體噴嘴大，這主要是因為射流繞過中心體底端后產(chǎn)生旋渦，90°錐形柱體和半球柱體更加有利于以旋渦為主的尾流擴(kuò)散，而在半球柱體的弧形壁面，邊界層更加容易脫落，更有利于尾流徑向發(fā)展。

圖5顯示了3種不同中心體噴嘴的氣含率云圖和不同中心體噴嘴的空化體積關(guān)系。

從圖5(a)~(c)可以看出，空化區(qū)域主要存在于射流繞中心體底端后，沿軸心方向延伸。隨著射流遠(yuǎn)離中心體底端，射流產(chǎn)生的空化強度逐漸減弱，空化區(qū)域先擴(kuò)大，后縮小，這主要是因為射流繞過中心體后，產(chǎn)生的旋渦沿軸心向前運動一段距離后，阻滯作用不斷加強，尾流慢慢消失。在相同壓力情況下，90°錐形柱體噴嘴產(chǎn)生的空化泡有效擴(kuò)散距離最長，可達(dá)到20.8 mm，半球柱體次之，大約為18.6 mm，平頭柱體噴嘴的空化泡有效擴(kuò)散距離最短，只有15.4 mm?？栈w積是水射流流束局部達(dá)到飽和蒸汽壓后產(chǎn)生的大量空泡的體積，利用空泡破裂產(chǎn)生的強大沖擊力增強射流作用。由圖5(d)可知，90°錐形柱體噴嘴誘發(fā)產(chǎn)生的空泡體積也最大，為8.75×10-2cm3，是平頭柱體噴嘴產(chǎn)生空泡體積的5倍之多。主要由于射流繞過不同中心體時，射流流速增加，壓力降低，產(chǎn)生的旋渦和擴(kuò)散方式存在不同，導(dǎo)致在噴嘴內(nèi)中心體附近壓力分布不同，初生空化泡所產(chǎn)生的程度和位置都存在不同;在空泡隨著射流沿軸心線向外延伸擴(kuò)散時，90°錐形柱體噴嘴射流穩(wěn)定性較好，氣泡延伸擴(kuò)散的距離最遠(yuǎn)。

5 結(jié)論

（1）半球柱體噴嘴和90°錐形噴嘴柱體比平頭柱體噴嘴產(chǎn)生的空化效果更好，射流繞過半球柱體和90°錐形柱體這2種中心體時，產(chǎn)生的楔形空泡射流具有更強的集速性能，更有利于空化的沖蝕打擊效果。

（2）在12 MPa的壓力下，半球柱體噴嘴和90°錐形柱體噴嘴所形成射流的空化體積相當(dāng)，最遠(yuǎn)可達(dá)到20 mm多，約為平頭柱體噴嘴同參數(shù)的5倍；前2種噴嘴產(chǎn)生空化射流的擴(kuò)散距離也比平頭柱體噴嘴空化擴(kuò)散的距離遠(yuǎn)，空化效果得到了大大的提高。

（3）半球柱體噴嘴內(nèi)中心體為弧形，更有利于旋渦的產(chǎn)生，形成低壓區(qū)，所以半球柱體噴嘴射流繞過中心體后，壓力降低，射流流速增加，能夠達(dá)到更高的射流速度，且存在較大的速度核心區(qū)。

（4）通過數(shù)值模擬計算，得到了含不同中心體噴嘴射流流場情況，為下一步工作打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 盧曉江,何迎春,賴維.高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:170-172.

［2］ 葛強,李曉紅,盧義玉,等.空化射流處理有機廢水的機理［J］.重慶大學(xué)學(xué)報,2007，30(5):20-22．

［3］ 薛勝雄,陳正文,韓彩紅，等. 高端超高壓水切割機的水平標(biāo)志［J］.流體機械，2015,43（10）：37-41.

［4］ 莫麗,楊琪,劉海鯤，等.鉆桿外壁清洗射流流場的數(shù)值分析 ［J］.流體機械，2015,43（2）：24-28.

［5］ 朱興業(yè),蔣建園,劉俊萍，等. 外取水射流噴頭與全射流噴頭的比較［J］. 排灌機械工程學(xué)報，2015,33（2）：172-178.

［6］ 王建杰,陳立宇,楊夏明，等.空化水射流的研究進(jìn)展［J］.精密成形工程,2016,8(5):156-162.

［7］ 李根生,易燦,黃忠偉.自諧振空化射流提高污染巖石滲透率的機理與實驗研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,31(1):72-75.

［8］ 廖振方,唐川林.自激振蕩脈沖噴嘴的研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2002,25(2):24-27.

［9］ 管金發(fā),鄧松圣,郭廣東，等.空化射流角型噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬［J］.機床與液壓,2012,40(23):46-50.

［10］ 向文英,盧義玉,李曉紅，等.空化射流在巖石破碎中的作用實驗研究［J］.巖土力學(xué),2006,27(9):1505-1508.

［11］ 楊敏官，肖勝男，康燦.出口形狀對中心體噴嘴射流性能的影響［J］.流體機械,2011,39(5):13-19.

［12］ Dong-Hyun Kim,Warn-Gyu Park,Chul-Min.Numerical simulation of cavitating flow past axisymmetric body［J］.International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2012（4）:256-266

［13］ Can Kang，F(xiàn)eng Zhang，Dong Liu，et al. Statistical characteristics in water jet discharged from a centrairbodynozzle［C］.Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids EngineeringSummer Meeting FEDSM-ICNMM2010-30183.August 1-5,2010,Montreal, Canada.

［14］ 王國玉,吳炯楊.空化紊流流動的數(shù)值計算模型及其驗證［J］.工程熱物理學(xué)報,2005,26(6):947―950.

［15］ 劉乾坤,郜冶,陳宇翔.軸對稱物體空化繞流的數(shù)值研究［J］.計算機仿真,2012,29(10):405-408.