高壓水射流數(shù)值模擬研究及沖擊載荷分析

袁 聰，張培銘，宋錦春

(1.肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東肇慶 526061； 2.廣西機(jī)械工業(yè)研究院有限責(zé)任公司,廣西南寧 530000；3.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧沈陽 110819)

引言

近年來，隨著流體控制技術(shù)的發(fā)展，高壓噴射流在各種除垢除銹的清洗場合的應(yīng)用變得愈加普遍。高壓噴射清洗設(shè)備普遍涉及狹小的節(jié)流噴嘴，高壓流體經(jīng)過噴嘴產(chǎn)生高速射流，并對噴嘴出口外的物體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)載，沖刷物體表面的結(jié)垢或銹跡。為了獲得較好的沖洗效果，國內(nèi)外的學(xué)者們開展了各種有益的探索。

HULTI等[1]研究了淹沒式噴射流的流場尺寸參數(shù)對沖洗效果的影響，揭示了射流沖擊載荷與流場的密切相關(guān)性。王啟博等[2]分析了影響盤式清洗裝置清洗效果的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并對噴嘴布局進(jìn)行了優(yōu)化。蔡朋等[3]利用數(shù)值流場模擬研究了淹沒式噴射流的動(dòng)態(tài)流場及噪聲特性。曹澤平等[4]測量了不同參數(shù)設(shè)置下的環(huán)形噴嘴的動(dòng)態(tài)載荷，揭示了靶距對射流沖刷效果的作用規(guī)律。王萍輝等[5]根據(jù)自振射流的工作原理對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提供了清洗裝置的工作效率及沖刷效果。YANG等[6]通過數(shù)值方法研究了不同噴嘴的流場結(jié)構(gòu)，對比分析了噴嘴擴(kuò)散角度與沖刷效果的關(guān)系。FANG等[7]對淹沒式水射流進(jìn)行了大渦模擬，揭示了不同工況條件下的流場結(jié)構(gòu)。蔡騰飛等[8]探討了噴嘴出口幾何尺寸與出口邊界層流動(dòng)特性的關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果提出了參數(shù)優(yōu)化方案。李玉朵等[9]對某清洗裝置的高壓噴射流進(jìn)行了流場數(shù)值模擬，并對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

上述研究從多個(gè)方面揭示了高速噴射流的流動(dòng)規(guī)律。但是，噴射流的流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其與動(dòng)態(tài)沖擊載荷的相關(guān)性仍需要進(jìn)一步探索。為此，本研究在OpenFOAM開源CFD平臺(tái)搭建了面向兩相高速噴射流的數(shù)值求解器，針對某高壓水射流開展數(shù)值模擬研究，分析流場結(jié)構(gòu)隨工況壓差的變化趨勢，揭示動(dòng)態(tài)載荷與流場結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 數(shù)學(xué)模型

本研究的研究對象屬于霧化噴射，高壓噴嘴出口處為壓縮氣體。噴射流的液核與氣體的相互作用將產(chǎn)生散布四周的液滴，隨后發(fā)生一次霧化，液核在沖擊底部靶件后發(fā)生劇烈的破碎。這些現(xiàn)象都涉及到液滴間的交互性效應(yīng)。對此，將通過VOF算法在數(shù)值計(jì)算中模擬液核及液滴的表面張力，從而對噴射流的霧化過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。

結(jié)合相體積守恒定律，可以通過單相的輸運(yùn)方程描述兩相流動(dòng)系統(tǒng)的流相變化規(guī)律：

(1)

式中，αl—— 液相體積百分比

αv—— 汽相體積百分比

ρl—— 液相密度

ρv—— 汽相密度

U—— 混相速度

Ur—— 流相間的滑移速率

Ur由如下方程獲得：

(2)

式中，cAlpha為界面壓縮系數(shù)。

混相流體的動(dòng)量方程為：

(3)

式中，κ—— 界面曲率

σ—— 表面張力系數(shù)

τ—— 偏應(yīng)力張量

p—— 壓力

對動(dòng)量方程進(jìn)行半離散，結(jié)合速度散度方程，實(shí)現(xiàn)速度-壓力解耦，獲得如下壓力方程：

(4)

式中，H(U) —— OpenFOAM的H算子

ap—— 動(dòng)量方程系數(shù)矩陣

上述數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)推導(dǎo)過程，可參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]。

以方孔霧化水射流為算例，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。方孔的幾何尺寸如圖1a所示，網(wǎng)格模型如圖1b所示，包含約690萬網(wǎng)格單元。文獻(xiàn)[12]使用多普勒測速儀(LDV)測量了3個(gè)位置的截面時(shí)均速度，同時(shí)拍攝了出口處的液相輪廓。圖2為數(shù)值模擬預(yù)測的截面速度分布與實(shí)驗(yàn)測量的對比，模擬結(jié)果預(yù)測了方孔左壁面處的回流現(xiàn)象，而且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的平均偏差約為6%。圖3為數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測的瞬時(shí)液核霧化輪廓，在噴嘴出口約5 mm處液核輪廓突然擴(kuò)大，與實(shí)驗(yàn)拍攝結(jié)果較為吻合。方孔算例表明，該數(shù)值方法能夠較好地預(yù)測小孔霧化噴射流動(dòng)。

圖1 方孔模型

圖2 方孔不同截面處的流向速度分布及與實(shí)驗(yàn)測量的對比

2 模擬計(jì)算設(shè)置

使用OpenFOAM較為常用的PIMPLE算法進(jìn)行時(shí)間步推進(jìn)，相輸運(yùn)方程使用有界性較好的MULES顯性算法求解，時(shí)間步離散使用二階精度的backWard策略，對流項(xiàng)使用系數(shù)為0.5的Gamma離散策略。入口使用全壓力邊界條件，入口壓力對應(yīng)3個(gè)工況分別為11,31,51 MPa，出口使用非反射邊界條件，出口壓力均為1 MPa，因此3個(gè)工況的壓差分別為10,30,50 MPa。其余邊界設(shè)置為無滑移壁面。流場的幾何尺寸如圖4a所示，噴嘴的直徑為0.3 mm，長度為4 mm，靶距為4 mm。圖4b也展示了相應(yīng)的網(wǎng)格模型，包含約400萬網(wǎng)格單元。

圖3 方孔噴嘴出口處的霧化輪廓

圖4 水射流模型

3 模擬結(jié)果與分析

圖5為各工況的數(shù)值模擬結(jié)果，上半部分為αl=0.5°的液核形態(tài)，下半部分為截面速度分布云圖，可以看出，隨著壓差的提升，液核的表面逐漸變得粗糙，瞬時(shí)速度分布呈現(xiàn)愈加強(qiáng)烈的不均勻性。圖6為不同工況的瞬時(shí)截面液相分布圖，其中上半部分為黑色方框的局部放大圖。由于噴嘴屬于細(xì)長孔(直徑與長度之比較小)，各工況均可清晰地觀察到水力柱塞流現(xiàn)象。圖7所示的灰色曲面表示始終被液相占據(jù)的區(qū)域。圖8為根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]的方法推算出的噴霧錐角隨壓差的變化趨勢。壓差為10 MPa時(shí)，錐角接近0°，說明基本沒有發(fā)生霧化現(xiàn)象，主要原因在于局部雷諾數(shù)較

圖5 各工況的整體瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)

圖6 各工況的整體瞬時(shí)截面液相分布云圖

小，使液核表面并未產(chǎn)生大尺寸的漩渦，從而使液核表面呈現(xiàn)光滑平順的形態(tài)。當(dāng)壓差為30 MPa時(shí)，噴霧錐角有大幅度的提升，說明此時(shí)已經(jīng)開始發(fā)生霧化現(xiàn)象。如圖9所示,上半部分為噴嘴出口外的截面液相云圖,下半部分為αl=0.5°的瞬時(shí)液核形態(tài)，噴射流通過噴嘴出口之后，大量的小液滴從液核剝落，分布在液核的周圍。隨后，在約1.5 mm的下游區(qū)域開始誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象，盡管液核并未被完全穿透，但液核已產(chǎn)生大尺寸的凹坑，并且這些凹坑具有高度的不規(guī)則分布特征。對于工況三，一次霧化起始位置位于噴嘴出口下游1.3 mm處。結(jié)合圖8可以推測，隨著壓差的提升，一次霧化的誘發(fā)位置越接近噴嘴，從而使噴霧錐角逐漸增大。圖10為霧化腔的壓力分布云圖及Q等值面圖。Q準(zhǔn)則反映了流場中一個(gè)流體微團(tuán)旋轉(zhuǎn)和變形之間的一種平衡，因此Q等值面可以捕捉流場中的三維漩渦結(jié)構(gòu)。與工況一相比，其余工況都存在2個(gè)突出的特點(diǎn)：第一，噴嘴出口處的擬序漩渦迅速瓦解并在下游誘發(fā)大量的流向渦；第二，存在明顯的壓力波現(xiàn)象，說明此時(shí)的噴射流屬于跨音速流動(dòng)。這些極端的流場結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究對象的一次霧化的誘發(fā)因素。

圖7 各工況的純液相區(qū)域分布圖

圖8 霧化錐角隨壓差的變化趨勢

圖9 噴嘴出口外的瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)

圖11為工況一的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時(shí)壓力分布云圖。液核保留較完整的圓柱狀輪廓，沖擊靶件后以較為平穩(wěn)的狀態(tài)緊貼靶件表面向四周流動(dòng)。同時(shí)，不同時(shí)刻的靶件表面的壓力分布變化幅度較小，射流對靶件的總打擊力基本保持不變，如圖14所示。圖12為工況二的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時(shí)壓力分布云圖。劇烈的一次霧化效應(yīng)使液核形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則性，在沖擊靶件后誘發(fā)猛烈的破碎，并在隨后的時(shí)刻這些破碎的液滴沖擊靶件并向四周反射，在靶件表面形成濺射狀的霧化現(xiàn)象，造成靶件表面的不均勻壓力分布，并且不同時(shí)刻的壓力分布存在明顯差異，在圖12(ii)和圖13(ii)有較強(qiáng)的瞬時(shí)壓力峰值，分別高達(dá)32.5，54.5 MPa，壓力峰值的出現(xiàn)與一次霧化造成的沖擊液核的不均勻性有較大的關(guān)系。圖14為靶件總打擊力的時(shí)間變化曲線，打擊力的波動(dòng)具有明顯的隨機(jī)特征，其波動(dòng)幅度較為顯著并隨著壓差逐漸增長，工況一到工況三的總打擊力的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.028，0.136，0.517。結(jié)合流場結(jié)構(gòu)(圖11～圖13)可以推測，打擊力的隨機(jī)波動(dòng)與一次霧化直接相關(guān)。一次霧化的作用導(dǎo)致液核的不均勻分布，并且壓差越大一次霧化現(xiàn)象愈加強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致打擊力的波動(dòng)越大。

圖10 噴射流的壓力分布云圖及Q=1×1012等值面

圖11 工況一的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖12 工況二的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖13 工況三的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖14 各工況的總打擊力時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

通過對不同壓差工況的高速射流開展數(shù)值模擬，揭示了重要的流場結(jié)構(gòu)，并獲得了以下重要結(jié)論：

(1) 當(dāng)壓差為10 MPa時(shí)，高速射流與氣體的相互作用未對液核產(chǎn)生明顯的影響，射流對靶件的沖擊作用較為平穩(wěn)；

(2) 當(dāng)壓差為30 MPa時(shí)，高速射流與氣體的相互作用誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象；當(dāng)壓差升至50 MPa時(shí)，噴霧錐角從1.3°增長到1.6°，一次霧化現(xiàn)象進(jìn)一步增強(qiáng)。本研究分析算例的高壓射流霧化現(xiàn)象在噴射腔具有2個(gè)典型的流場特征結(jié)構(gòu)，分別是大量的流向渦以及壓力波。在兩者的共同作用下，不斷有液滴從液核表面脫落，并逐漸誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象；

(3) 一次霧化效應(yīng)使液核呈現(xiàn)不規(guī)則的特征，并在靶件表面產(chǎn)生猛烈的破碎，產(chǎn)生局部壓力峰值，該壓力峰值具有較大的隨機(jī)性特征，從而強(qiáng)化了液核對靶件的沖擊作用，同時(shí)打擊力隨著一次霧化效應(yīng)呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。當(dāng)壓差從30 MPa提升到50 MPa時(shí)，局部壓力峰值分別是32.5，54.5 MPa，總打擊力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差從0.136增加到0.517。結(jié)果表明，一次霧化效應(yīng)對高壓清洗效果具有促進(jìn)作用。