圓錐長(zhǎng)直管段噴嘴內(nèi)流場(chǎng)仿真研究

張 沖，焦光偉，祝 韜，張少波

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331；2. 61716部隊(duì)， 福州 350003； 3. 78355部隊(duì)， 云南 楚雄 651224)

圓錐長(zhǎng)直管段噴嘴內(nèi)流場(chǎng)仿真研究

張 沖1，焦光偉1，祝 韜2，張少波3

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331；2. 61716部隊(duì)， 福州 350003； 3. 78355部隊(duì)， 云南 楚雄 651224)

通過ANSYS FLUENT軟件，采用歐拉多相流模型對(duì)前混式磨料水射流內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行建模與仿真。觀察不同參數(shù)下的仿真結(jié)果并進(jìn)行比較，結(jié)果表明：壓力升高繼而導(dǎo)致噴嘴出口速度提高，通過簡(jiǎn)化公式計(jì)算所得噴嘴出口速度不一定準(zhǔn)確；噴嘴出口直徑變大會(huì)導(dǎo)致出口速度減小，且小于理論計(jì)算值；提供能量一定時(shí)，由于磨料體積分?jǐn)?shù)增大會(huì)使得噴嘴出口速度減小，因此磨料體積分?jǐn)?shù)不宜過大。

磨料水射流；內(nèi)流場(chǎng)；數(shù)值模擬

水射流技術(shù)是一種新型的加工技術(shù)，該技術(shù)通過泵提供動(dòng)力為水加壓，經(jīng)過噴嘴收縮段加速后噴出，從而將泵提供的能量轉(zhuǎn)化為射流沖擊力作用于工件上。由于水射流技術(shù)屬于冷態(tài)加工，不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)會(huì)產(chǎn)生明火或局部高溫，具有安全性好、效率高、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，因而目前在材料清洗、剝離、切割等工業(yè)作業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-2]。

水射流根據(jù)射流形式可分為連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。其中連續(xù)射流又分液體射流、固-液射流和液體-氣體-固體射流[3]。其中固-液射流即磨料水射流。磨料水射流是水通過高壓泵增壓后，又經(jīng)過磨料罐與磨料顆粒進(jìn)行混合，再通過噴嘴噴出。由于加入磨料，射流的切割能力進(jìn)一步增強(qiáng)，在切割鋼材、破碎巖石及剝離涂層等作業(yè)上有著很好的效果。

不同于傳統(tǒng)流體力學(xué)的計(jì)算方法，磨料水射流涉及面更廣，計(jì)算更為復(fù)雜；因而需要借助計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論，通過多相流模型模擬固-液射流在空氣中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而預(yù)測(cè)射流流場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，研究其特性。目前計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域的商業(yè)軟件FLUENT已被ANSYS收購(gòu)并集成于ANSYS 17.0軟件中。該軟件功能強(qiáng)大，在仿真計(jì)算射流方面具有一定優(yōu)勢(shì)，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)射流流場(chǎng)特性。

本研究的前混式磨料射流系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)后混式磨料射流系統(tǒng)，磨料是在高壓管路中與水混合，混合更加充分，只經(jīng)歷一次能量轉(zhuǎn)化，射流所需工作壓力較以前低很多，能量利用率更高[4]。此外，由于系統(tǒng)中磨料罐采用均勻供料，能保證在不同壓力下射流的磨料體積分?jǐn)?shù)保持在相同水平。

1 物理建模和網(wǎng)格劃分

考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性采用三維建模。在Workbench中通過Geometry組件建立三維模型，并通過Mesh組件中ICEM CFD軟件劃分網(wǎng)格，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，控制網(wǎng)格質(zhì)量。如圖1所示，模型包括完整的噴嘴部分。另外，在建模前作如下假設(shè)：

1) 固液兩相均看作連續(xù)介質(zhì)，水、磨料、空氣不存在分層，可相互混合；

2) 固液兩相均為不可壓縮流體；

3) 磨料顆粒流簡(jiǎn)化為一種固體流體。

圖1 仿真模型

圖1為模型總體和噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖，其中外流場(chǎng)模型為長(zhǎng)200 mm、底面直徑為30 mm的圓柱形區(qū)域。噴嘴模型總長(zhǎng)76.2 mm，收縮段長(zhǎng)5.39 mm，收縮角為40°，噴嘴出口直徑為0.8 mm，后續(xù)根據(jù)噴嘴直徑變化調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)參數(shù)。圖2為模型的網(wǎng)格劃分情況。設(shè)置CFD偏好和FLUENT求解器偏好，適當(dāng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度和其他參數(shù)，確保網(wǎng)格質(zhì)量。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2 求解設(shè)置

2.1 模型選擇

求解中多相流模型選擇歐拉模型，湍流模型選擇RNGk-ε模型，其中控制方程[5]為：

質(zhì)量守恒方程：

?αkρk/?t+▽·(αkρkνk)=0

(1)

動(dòng)量守恒方程：

?αkρkνk/?t+▽·(αkρkνkνk)=

(2)

能量守恒方程：

?αkρkhk/?t+▽·(αkρkνkhk)=

αk(?Pk/?t)+αkτk:▽?duì)蚹-▽·αkqk+Hkl

(3)

RNGk-ε模型[6]使用以下的輸運(yùn)方程來描述湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε：

k方程：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(4)

ε方程：

(5)

2.2 求解設(shè)置

在FLUENT中設(shè)置求解參數(shù)。設(shè)置多相流模型為歐拉多相流模型(Eulerian multiphase flow model)，湍流模型選用RNGk-ε模型。設(shè)置材料(包括水、空氣和磨料)參數(shù)，其中水為主項(xiàng)，磨料和空氣分別為第2相和第3相。磨料密度為3 900 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為1.85×10-5m2/s，顆粒直徑為0.000 18 m；水密度998.2 kg/m3，20 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度約為1.01×10-6m2/s。

進(jìn)行邊界條件設(shè)置。因已知條件只有管路壓力，故噴嘴入口處設(shè)置為壓力入口，分別設(shè)置水、磨料和空氣的體積分?jǐn)?shù)。噴嘴出口為壓力出口，出口表壓為0。對(duì)于多相流模擬，相間影響應(yīng)考慮[9-10]，因此設(shè)置固液間拖曳力為syamlal-obrien模型，并考慮虛擬質(zhì)量力對(duì)磨料顆粒的影響。設(shè)置求解方法為PC-SIMPLE，采用1階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算，適當(dāng)調(diào)節(jié)亞松弛因子。初始化流場(chǎng)并將流場(chǎng)空氣體積分?jǐn)?shù)初始化為1，設(shè)置迭代時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s，迭代5 000步進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)組合

根據(jù)文獻(xiàn)[11-13]，仿真模擬在設(shè)定了射流壓力、噴嘴直徑及磨料體積分?jǐn)?shù)3個(gè)參數(shù)的不同組合條件下，共進(jìn)行了8個(gè)不同參數(shù)組合的計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比，其中理論噴嘴出口速度是根據(jù)文獻(xiàn)[14]中式(7)計(jì)算所得，僅供仿真計(jì)算時(shí)參考。參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真參數(shù)組合

3.2 不同壓力下內(nèi)流場(chǎng)的仿真結(jié)果

取1～4組內(nèi)流場(chǎng)X-Y平面上的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，所得水和磨料X軸的軸向速度變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：噴嘴內(nèi)的流體速度在通過收縮段后急劇升高，其大小和管路內(nèi)噴嘴入口壓力有關(guān)。顯然，入口壓力越大，噴嘴最后出口速度越大，這是由于入口處提供的壓能經(jīng)過噴嘴收縮段轉(zhuǎn)換為流體的動(dòng)能，使水和磨料在收縮段有了一個(gè)加速的過程。水和磨料通過收縮段之后加速過程并不會(huì)馬上停止，兩相在直管段繼續(xù)混合加速。然而由于磨料和水的密度不同且黏度有差異，因而產(chǎn)生了速度滑移，水的速度較大，因此磨料在噴嘴中的加速過程是一個(gè)被動(dòng)加速的過程，且磨料速度向水速度接近。與此同時(shí)，由于湍流作用，磨料顆粒在噴嘴內(nèi)不斷碰撞，造成了能量的部分損失，其速度并不能完全達(dá)到水的速度，因此將仿真計(jì)算中水的出口速度和理論計(jì)算的流體出口速度相比較，發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算的結(jié)果要比理論值低很多。經(jīng)過計(jì)算，1～4組中水的噴嘴出口速度分別是理論值的73.75%、73.06%、72.48%、73.77%，因此有些文獻(xiàn)中計(jì)算噴嘴出口速度時(shí)采用簡(jiǎn)化的理論公式，但其準(zhǔn)確性有待商榷。

3.3 不同出口直徑下內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果

取1、5、6組內(nèi)流場(chǎng)X-Y平面上的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，所得水和磨料的速度云圖和軸線速度變化曲線如圖4～6所示。

圖3 水和磨料內(nèi)流場(chǎng)軸線速度變化曲線

圖4 不同噴嘴直徑的噴嘴內(nèi)流場(chǎng)速度云圖

圖5 水和磨料內(nèi)流場(chǎng)軸線速度變化曲線

圖6 不同噴嘴直徑下內(nèi)流場(chǎng)流體的速度變化

通過內(nèi)流場(chǎng)速度云圖對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：相同壓力時(shí)，保持噴嘴入口直徑和收縮角不變，由于噴嘴直徑的不同，因此射流流體的加速效果也不同；當(dāng)噴嘴出口直徑增大，射流加速變緩，最終達(dá)到的最大速度也會(huì)變小。

根據(jù)連續(xù)性方程：ρ1v1A1=ρ2v2A2知：管路內(nèi)入口參數(shù)不變時(shí)，出口速度和噴嘴出口直徑的平方成反比。實(shí)際仿真計(jì)算的出口速度數(shù)值和根據(jù)連續(xù)性方程計(jì)算的數(shù)值有一定誤差，這是由于兩相流動(dòng)的相間影響、湍流運(yùn)動(dòng)以及仿真計(jì)算本來就可能存在的誤差導(dǎo)致的。尤其是當(dāng)噴嘴出口直徑增大后，會(huì)導(dǎo)致顆粒間碰撞幅度提高，影響射流集束性。從噴嘴直徑改變后的速度衰減情況看，噴嘴直徑不宜過大。

3.4 不同磨料體積分?jǐn)?shù)下內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果

取1、7、8組內(nèi)流場(chǎng)X-Y平面上的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，所得水和磨料軸線速度變化曲線如圖7所示。

由圖7變化曲線可知：磨料體積分?jǐn)?shù)的增大反而使得噴嘴中流體的速度減小。其主要原因是當(dāng)管路提供能量相同時(shí)，根據(jù)能量守恒定理，磨料體積濃度增大使得流體質(zhì)量增大，繼而導(dǎo)致在獲得相同動(dòng)能的情況下流體的速度有所減小，而且由于顆粒體積濃度的增大導(dǎo)致顆粒間碰撞加劇，使得動(dòng)能損失也會(huì)增大[15]。

圖7 水和磨料內(nèi)流場(chǎng)軸線速度變化曲線

4 結(jié)論

1) 隨著壓力的增大，噴嘴的出口速度相應(yīng)增大，且影響顯著，但通過簡(jiǎn)化的理論公式計(jì)算得到的噴嘴出口速度不一定準(zhǔn)確。

2) 對(duì)于圓錐長(zhǎng)直線型噴嘴，增大噴嘴出口直徑會(huì)降低出口速度，且小于理論計(jì)算值。為了不影響射流的沖擊效果，噴嘴直徑不宜過大。

3) 在提供的能量一定的情況下，磨料體積分?jǐn)?shù)的增大會(huì)導(dǎo)致流體出口速度減小，同時(shí)考慮到相間影響和能量損失，磨料體積分?jǐn)?shù)不宜過大。

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InvestigationontheSimulationAbouttheExternalFlowFieldofConicalLongStraightPipeNozzle

ZHANG Chong1, JIAO Guangwei1, ZHU Tao2, Zhang Shaobo3

(1.Department of Petroleum Supply, Army Logistics University of PLA, Chongqing 401331, China; 2.The No.61716thTroop of PLA, Fuzhou 350003,China; 3.The No.78355thTroop of PLA, Chuxiong 402260, China)

A simulation about the internal flow field of pre-mixed abrasive water jet was conducted by ANSYS FLUENT and Eulerian multiphase flow model. Results in different parameters were compared and indicated that: with the increase of the pressure,velocity in nozzle outlet will increase accordingly.Velocity in nozzle outlet which calculated by simplified formula was proved not exact.With the increase of the diameter of nozzle outlet,velocity in nozzle outlet will decrease correspondingly and below the theoretical calculating value.When the energy was constant,velocity in nozzle outlet will decrease due to the increasing of the abrasive volume fraction.Thus,the abrasive volume fraction should not be in a high level.

abrasive water jet; internal flow field ; simulation

2017-08-17

中石化項(xiàng)目“川氣東送管道應(yīng)急搶修關(guān)鍵設(shè)備研制”(G8603-12-2S-0057*)

張沖(1993—)，男，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)存技術(shù)與裝備研究，E-mail:516484430@qq.com。

張沖，焦光偉，祝韜，等.圓錐長(zhǎng)直管段噴嘴內(nèi)流場(chǎng)仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(12):105-110.

formatZHANG Chong, JIAO Guangwei, ZHU Tao, et al.Investigation on the Simulation About the External Flow Field of Conical Long Straight Pipe Nozzle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):105-110.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.018

TP602

A

1674-8425(2017)12-0105-06

(責(zé)任編輯林 芳)