一種清洗噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真分析

操明明，孟 婥，孫以澤，王 晗

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

一種清洗噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真分析

操明明1，孟 婥1，孫以澤2，王 晗2

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

噴嘴是清洗作業(yè)中最直接執(zhí)行部件，國(guó)外研究表明空化射流應(yīng)用于清洗相較于普通射流優(yōu)勢(shì)十分明顯。因此針對(duì)印染行業(yè)中鞋面印花網(wǎng)版的清洗改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種噴嘴，建立了噴嘴的數(shù)學(xué)模型。利用FLUENT軟件分別對(duì)原始噴嘴與改進(jìn)后的噴嘴射流進(jìn)行單相流場(chǎng)與二相流場(chǎng)的仿真，通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的壓力、速度以及擴(kuò)散度對(duì)比分析。結(jié)果表明：兩種噴嘴都可以產(chǎn)生有利于清洗作業(yè)的空化射流，且優(yōu)化后的噴嘴空化效果與水射流的動(dòng)力性能更佳、擴(kuò)散范圍更廣，該清洗噴嘴的設(shè)計(jì)為鞋面印花網(wǎng)版清洗噴嘴的優(yōu)化提供了合理的依據(jù)。

鞋面印花網(wǎng)版；清洗；噴嘴；空化射流；FLUENT仿真

0 引言

鞋面的印花是印染行業(yè)的重要組成部分，鞋面上的各種各樣顏色和紋理需要經(jīng)過(guò)印花的加工。鞋面印花有專門(mén)的鞋面印花機(jī)去完成和實(shí)現(xiàn)需要的顏色與花紋，網(wǎng)版是實(shí)現(xiàn)鞋面上色和花紋的過(guò)程中必不可少的工具。在這個(gè)過(guò)程中首先印花機(jī)噴墨到網(wǎng)版上，再經(jīng)過(guò)印花，就能將所需要的圖案印到鞋面。其中鞋面印花網(wǎng)版的清洗直接對(duì)鞋面的印花質(zhì)量有直接的影響。而噴嘴是清洗鞋面印花網(wǎng)版的重要執(zhí)行元件，因此保證噴嘴噴射的水流的具有優(yōu)良動(dòng)力性能十分重要。

圖1 網(wǎng)版清洗機(jī)

鞋面印花網(wǎng)版主要污垢為其表面的水性油墨，圖1所示為某公司網(wǎng)版清洗機(jī)，清洗時(shí)首先將網(wǎng)版放置清洗機(jī)夾持架上，然后推送至清洗機(jī)清洗區(qū)，清洗區(qū)的清洗噴嘴對(duì)稱安裝在兩邊的水管上，并且水管可以轉(zhuǎn)動(dòng)以保證噴嘴射流能覆蓋網(wǎng)版所有表面。當(dāng)網(wǎng)版送至清洗區(qū)后，開(kāi)啟清洗機(jī)開(kāi)關(guān)，此時(shí)通過(guò)安裝在水管上的噴嘴噴射的水流對(duì)網(wǎng)版兩面同時(shí)清洗。該清洗機(jī)的清洗時(shí)間一般設(shè)置為2分鐘，清洗壓力為10Mpa，清洗結(jié)束按下停止開(kāi)關(guān)取出清洗過(guò)的網(wǎng)版。網(wǎng)版主要依靠噴嘴射流產(chǎn)生的動(dòng)力與水流稀釋其表面水性油墨的能力完成清洗。國(guó)內(nèi)對(duì)于鞋面印花網(wǎng)版清洗的大部分是采用大流量普通噴嘴產(chǎn)生的射流清洗為主，普通噴嘴產(chǎn)生的射流不僅噴射擴(kuò)散范圍小、射流動(dòng)力性能不佳，并且容易造成水資源的浪費(fèi)。國(guó)外Johnson等學(xué)者首次將空化理論應(yīng)用到水射流清洗的技術(shù)領(lǐng)域[1]，在清洗作業(yè)時(shí)空化射流相對(duì)于普通射流它具有環(huán)保、節(jié)能、高效、易操作等特點(diǎn)，并且在相同的水力參數(shù)條件下，空化射流更加有利于清洗[2]。因此針對(duì)鞋面印花網(wǎng)版的清洗，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種用于其清洗且能在低壓下產(chǎn)生空化射流的噴嘴。

1 空化原理

1.1 空化的形成

空化是由于液體內(nèi)局部壓強(qiáng)降低到其自身的飽和蒸汽壓時(shí)，液體內(nèi)部或液固接觸面上出現(xiàn)氣體泡沫生成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程。在噴嘴水射流中當(dāng)射流絕對(duì)壓力小于當(dāng)?shù)厮娘柡驼魵鈮簳r(shí)，噴嘴的收縮段內(nèi)的射流將要產(chǎn)生空化現(xiàn)象，由于空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的能量集中在很多非常小的接觸面積內(nèi)，從而可以在局部區(qū)域形成較高的應(yīng)力集中，造成對(duì)被沖擊物體表面的污垢的沖蝕破壞。正是由于這種局部的壓力增高與能量的集中，使得空化射流在同等壓力和流速下，其清洗的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通射流，極大的提高清洗效率。當(dāng)流體通道有收縮時(shí)，根據(jù)出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)間的伯努利方程與連續(xù)方程[3]：

式(1)中：p1為入口壓力；p2為出口壓力；pc為收縮段壓力；v1為入口速度；v2為出口速度；A1為入口橫截面積；A2為出口截面積。噴嘴收縮段示意圖如圖2所示?？梢酝瞥觯趐1＞p2時(shí)，根據(jù)空化理論在圖2①區(qū)域內(nèi)即收縮段內(nèi)部與液固接觸面上會(huì)有空化氣泡的形成[4]。

圖2 噴嘴收縮段示意圖

1.2 空化產(chǎn)生的判據(jù)

對(duì)于液壓系統(tǒng)是否產(chǎn)生空化，根據(jù)空化形成的原理只需要檢測(cè)絕對(duì)壓強(qiáng)是否低于當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎簭?qiáng)即可。根據(jù)文獻(xiàn)[5]以液壓系統(tǒng)內(nèi)最低壓強(qiáng)小于或等于當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎簳r(shí)能夠產(chǎn)生空化作為唯一判據(jù)，但是對(duì)于新設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)一般需要提前預(yù)測(cè)空化，因此需要利用仿真軟件模擬液壓系統(tǒng)內(nèi)兩種壓強(qiáng)大小是否滿足空化產(chǎn)生條件。

2 噴嘴的模型

噴嘴的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。噴嘴改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，噴嘴由噴頭和入射體構(gòu)成，兩者通過(guò)螺紋聯(lián)接，入射體直接與網(wǎng)版清洗機(jī)清洗區(qū)的水管通過(guò)螺紋聯(lián)接。這樣的設(shè)計(jì)有利于噴嘴的更換與檢修，因?yàn)槿肷潴w孔徑較大不易發(fā)生堵塞，所以當(dāng)噴嘴發(fā)生堵塞等問(wèn)題只用更換噴頭即可。改進(jìn)前噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，噴嘴是一體式結(jié)構(gòu)，整個(gè)噴嘴直接與網(wǎng)版清洗機(jī)清洗區(qū)的水管通過(guò)螺紋聯(lián)接，噴嘴出現(xiàn)堵塞等故障時(shí)需要整體進(jìn)行更換。

圖3 噴嘴模型圖

噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：噴嘴入口直徑D為6mm，出口直徑b為1mm，擴(kuò)散角α取為60°，收縮角β取為13.5°，圓柱段直徑為0.7mm，噴頭長(zhǎng)度L為16mm。因?yàn)閲娮斓膱A柱段長(zhǎng)度對(duì)空化效果有一定的影響，所以將改進(jìn)后圓柱段長(zhǎng)度l定為3mm并規(guī)定為Ⅰ號(hào)噴嘴，原始噴嘴圓柱段長(zhǎng)度為4mm并規(guī)定為Ⅱ號(hào)噴嘴，對(duì)比兩種噴嘴進(jìn)行FLUENT仿真模擬研究。

3 噴嘴的仿真分析

3.1 輸運(yùn)方程

在驗(yàn)證空化效果模擬計(jì)算應(yīng)用較多的是κ-ε模型，其改進(jìn)RNGκ-ε模型在ε方程中增加了一個(gè)條件，同時(shí)也考慮到了湍流漩渦，從而有效的改善了計(jì)算的精度[6]。因此采用RNGκ-ε模型，當(dāng)流體不可壓時(shí)，其輸運(yùn)方程為[7]：

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；u為流速；μ為流體動(dòng)力粘度；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；k為湍動(dòng)能的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；為耗散率的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。其他常系數(shù)如下：Cμ=0.0845，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

3.2 邊界條件設(shè)置

兩種噴嘴邊界參數(shù)設(shè)置相同，以壓力設(shè)為噴嘴出入口邊界，入口壓力設(shè)為清洗機(jī)的清洗壓力10Mpa，出口壓力設(shè)為大氣壓即為0Mpa；進(jìn)出口射流湍流強(qiáng)度設(shè)為3.5%；固體壁面條件設(shè)為無(wú)滑移；射流速度方向垂直于入口邊界。

3.3 模擬計(jì)算分析

3.3.1 噴嘴的空化仿真

本次模擬采用SIMPLEC隱形算法進(jìn)行壓力和速度的耦合迭代計(jì)算，F(xiàn)LUENT模擬計(jì)算流程為：幾何建模→網(wǎng)格劃分→計(jì)算模型設(shè)置→介質(zhì)設(shè)置→邊界條件設(shè)置→初始化及迭代計(jì)算，只有迭代計(jì)算結(jié)果收斂才能進(jìn)行后處理，因此只有當(dāng)?shù)?jì)算收斂時(shí)仿真結(jié)果才是可信的。兩種噴嘴計(jì)算域如圖4所示。

圖4 兩種噴嘴計(jì)算域

兩種噴嘴殘差迭代計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)為迭代殘差值，并可以看出Ⅰ號(hào)噴嘴殘差迭代計(jì)算在165步時(shí)收斂，Ⅱ號(hào)噴嘴殘差迭代計(jì)算在167步時(shí)收斂，因此仿真結(jié)果是可信的。

圖5 殘差迭代計(jì)算結(jié)果

圖6 噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)壓力計(jì)算結(jié)果

兩種噴嘴壓力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從圖6(a)中可以看出Ⅰ號(hào)噴嘴射流從噴嘴長(zhǎng)度為9mm處開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)壓且驟降直到10.5mm后下降速度趨于平穩(wěn)，在噴嘴長(zhǎng)度為13mm處達(dá)到最大負(fù)壓接近-8Mpa，然后迅速上升，在噴嘴長(zhǎng)度為15mm處趨于零。從圖6(c)中可以看出射流壓力從Ⅰ號(hào)噴嘴的圓柱段開(kāi)始按梯度逐漸減小，直到噴嘴圓柱段尾端負(fù)壓值達(dá)到最低。從圖6(b)中可以看出Ⅱ號(hào)噴嘴射流從噴嘴長(zhǎng)度為8mm處開(kāi)始產(chǎn)生負(fù)壓且驟降直到9.5mm后下降速度趨于平穩(wěn)，在噴嘴長(zhǎng)度為13mm處達(dá)到最大負(fù)壓接近-7Mpa，然后迅速上升，在噴嘴長(zhǎng)度為15mm處趨于零。從圖6(d)中可以看出射流壓力從Ⅱ號(hào)噴嘴的圓柱段開(kāi)始按梯度逐漸減小，直到噴嘴圓柱尾端負(fù)壓值達(dá)到最低。綜合圖6可以得出，兩種噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生了很明顯的負(fù)壓，根據(jù)空化形成的判據(jù)，以常溫25℃時(shí)水的飽和蒸汽壓3.168kPa為參考標(biāo)準(zhǔn)，因此負(fù)壓有利于空化氣泡形成，增加空化氣泡的數(shù)量，提高空化效果，所以兩種噴嘴都可以產(chǎn)生空化射流。Ⅰ號(hào)噴嘴負(fù)壓值比Ⅱ號(hào)噴嘴小，且Ⅰ號(hào)噴嘴壓力上升與下降的坡度都比Ⅱ號(hào)噴嘴明顯，因此Ⅰ號(hào)噴嘴空化效果會(huì)優(yōu)于Ⅱ號(hào)噴嘴。

圖7 噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)速度計(jì)算結(jié)果

兩種噴嘴速度計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從圖7(a)可以看出，在Ⅰ號(hào)噴嘴長(zhǎng)度為0mm處速度一直增加，直到達(dá)到Ⅰ號(hào)噴嘴長(zhǎng)度為10mm處速度達(dá)到最大190m/s，圓柱段內(nèi)速度幾乎達(dá)到平穩(wěn)，在Ⅰ號(hào)噴嘴長(zhǎng)度為13mm處速度急劇下降，直到到達(dá)Ⅰ號(hào)噴嘴長(zhǎng)度為15mm處再次趨于穩(wěn)定。從圖7(b)可以看出，在噴嘴長(zhǎng)度為0mm處速度一直增加，直到達(dá)到噴嘴長(zhǎng)度為9mm處速度達(dá)到最大180m/s，圓柱段內(nèi)速度幾乎達(dá)到平穩(wěn)，在噴嘴長(zhǎng)度為13mm處速度急劇下降，直到到達(dá)噴嘴長(zhǎng)度為15mm處再次趨于穩(wěn)定。因?yàn)閮煞N噴嘴類型相同所以從圖7(c)、7(d)中可以看出在兩種噴嘴射流速度逐漸增加均在圓柱段達(dá)到最大，并且吸入了部分空氣，形成了一定的空化。在出口擴(kuò)散段，噴嘴存在一個(gè)等速核段，有利于空化射流的形成。綜合圖7得出，兩種噴嘴射流速度均由小逐漸增大，在圓柱段射流達(dá)到速度最大值，再由最大值急劇下降到達(dá)噴嘴的出口，并出現(xiàn)等速核段。Ⅰ號(hào)噴嘴射流速度最大值以及出口處的速度大于Ⅱ號(hào)噴嘴，因此Ⅰ號(hào)噴嘴射流動(dòng)力性能優(yōu)于Ⅱ號(hào)噴嘴。噴嘴射流產(chǎn)生上述變化是由于噴嘴入口處的水泵壓力能逐漸轉(zhuǎn)化為水射流動(dòng)能引起，符合連續(xù)性方程流動(dòng)參數(shù)隨著截面積變化而變化的規(guī)律。

3.3.2 噴嘴氣液兩相仿真

將兩種噴嘴進(jìn)行外流場(chǎng)的兩相模擬，確定噴嘴射流的擴(kuò)散效果，兩相仿真增加了矩形噴射區(qū)域。兩相仿真同樣采用SILPLEC算法[8]，設(shè)置水為基本相，水蒸氣為第二相。因?yàn)榍懊娣抡娼Y(jié)果表明兩種噴嘴均能產(chǎn)生空化效果且Ⅰ號(hào)噴嘴產(chǎn)生的射流空化效果與動(dòng)力性能優(yōu)于Ⅱ號(hào)噴嘴，因此兩相之間的轉(zhuǎn)化采用Cavitation Model空化模型[9,10]，其他邊界條件與空化仿真設(shè)置一致。兩相仿真計(jì)算域殘差如圖8所示，其橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)為迭代殘差值，Ⅰ號(hào)噴噴嘴二相計(jì)算域殘差迭代到442步收斂，Ⅱ號(hào)噴嘴二相計(jì)算域殘差迭代到293步收斂，因此仿真結(jié)果是可信的。

圖8 二相計(jì)算殘差迭代計(jì)算結(jié)果

圖9 噴嘴水射流速度統(tǒng)計(jì)云圖

從圖9可以看出從兩種噴嘴內(nèi)部噴出的水射流速度與徑向距離呈反比關(guān)系，即隨著徑向距離的增大，水射流速度逐漸減小，速度分布區(qū)具有對(duì)稱性，這與單相空化模擬所示的流場(chǎng)吻合。Ⅰ號(hào)噴嘴水射流擴(kuò)散范圍略大于Ⅱ號(hào)噴嘴水射流擴(kuò)散范圍，因此Ⅰ號(hào)噴嘴射流覆蓋網(wǎng)版范圍更廣，可以減少清洗機(jī)水管上噴嘴的安裝數(shù)量。

4 結(jié)論

利用FLUENT軟件對(duì)兩種噴嘴射流進(jìn)行單相與二相流的仿真模擬。模擬分析結(jié)果表明，兩種噴嘴的圓柱段均存在速度最大值，并且有明顯的負(fù)壓形成，能夠產(chǎn)生空化效果。對(duì)比仿真結(jié)果可以得出當(dāng)噴嘴圓柱段參數(shù)為3mm時(shí)水射流的動(dòng)力性能更好、擴(kuò)散范圍更廣。利用該噴嘴的空化射流產(chǎn)生的沖擊力與空化氣泡在破裂時(shí)產(chǎn)生的能量，使得其在清洗方面的效果優(yōu)于原始噴嘴水射流，且能夠有利于清洗效率的提升。因此改進(jìn)后的Ⅰ號(hào)噴嘴代替 原始的Ⅱ號(hào)噴嘴用于鞋面印花網(wǎng)版的清洗作業(yè)是可行的。

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Improved design and simulation analysis of a cleaning nozzle

CAO Ming-ming1, MENG Zhuo1, SUN Yi-ze2, WANG Han2

TH16

：A

1009-0134(2017)03-0100-05

2016-12-20

操明明（1990 -），男，安徽人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。