風(fēng)琴管噴嘴空化射流的數(shù)值模擬研究

胡文麗，鄒信波，李黎，劉帥，江任開(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

空化是由于液流系統(tǒng)中的局部低壓(低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸氣壓)使液體蒸發(fā)而引起的微氣泡(或稱為氣核)爆發(fā)性生長(zhǎng)現(xiàn)象[1]。該現(xiàn)象最初是在螺旋槳葉片上被發(fā)現(xiàn)的，它的破壞能力很強(qiáng)，對(duì)水力機(jī)械造成嚴(yán)重?fù)p害，且會(huì)產(chǎn)生噪聲、閃光等現(xiàn)象[2-3]。1917年，Rayleigh提出了球?qū)ΨQ空泡運(yùn)動(dòng)方程，加大了人們對(duì)空化的認(rèn)識(shí)。空化過程會(huì)有高溫和高壓的產(chǎn)生，同時(shí)空化泡會(huì)經(jīng)歷不斷產(chǎn)生、膨脹、最后又會(huì)快速潰滅[4]。在空泡潰滅的時(shí)候，液流中的局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生極高速的微射流以及高壓；若空泡在固體壁面附近發(fā)生的潰滅，將會(huì)對(duì)固體壁面材料造成破壞，從而發(fā)生空化沖蝕，也就是空蝕[5]。

R. E. Kohl等人將空化作用引入到高壓水射流技術(shù)領(lǐng)域，創(chuàng)造了空化射流[6]。如今空化射流廣泛應(yīng)用于清洗、切割、石油鉆孔、海洋開發(fā)等領(lǐng)域。盧義玉[7]等用縮放型噴嘴和收斂型噴嘴研究淹沒條件下的空化破巖機(jī)理，得到空化水射流切割破碎巖石主要是由空泡的潰滅引起的，且空泡云的長(zhǎng)度等于靶距與切割深度之和。Max Szolcek[8]等對(duì)空化射流清除的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，空化能在幾分鐘內(nèi)使結(jié)垢體積減少80%～90%，對(duì)金屬表面無明顯損傷。Roberta Ferrentino[9]將空化用于輔助污泥處理。Mingyu He[10]等研究空化射流和氧化結(jié)合的方式處理大豆分離蛋白。李根生[11]提出了利用空化射流鉆徑向水平井+篩管完井一體化方法開采深海淺層天然氣水合物的新思路，將空化射流用于水合物開采。諸多研究表明空化射流是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

由美國工程師Conn和Johnson發(fā)明的風(fēng)琴管空化噴嘴，是現(xiàn)有的機(jī)械鉆頭最適合的空化噴嘴。針對(duì)風(fēng)琴管噴嘴的結(jié)構(gòu)，前人已經(jīng)做了很多研究包括噴嘴長(zhǎng)徑比、收縮口和出口的大小以及結(jié)構(gòu)形狀、壁面粗糙度等[12-15]。外部環(huán)境參數(shù)(如壓力)也是影響空化效果的重要參數(shù)，但針對(duì)風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的研究還比較少。因此本文使用流體商業(yè)軟件，對(duì)不同壓力條件及噴距下風(fēng)琴管噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的流動(dòng)狀況進(jìn)行模擬，從流場(chǎng)壓力、氣相體積分?jǐn)?shù)、湍動(dòng)能等方面分析噴嘴的空化效果。

1 數(shù)學(xué)模型

空化屬于氣液兩相流，選用Mixture模型，它更適合模擬各相的運(yùn)動(dòng)。本文模擬情況假定氣液兩相流速相同，視為均相流模型。

1.1 湍流模型

風(fēng)琴管噴嘴存在收縮結(jié)構(gòu)，選用RNGk-ε湍流模型，它適合處理流線曲率較大或應(yīng)變率較高的流動(dòng)情況[16]。表達(dá)式如下：

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ρm=ρ lα l+ρ vα v為混合密度，lρ和vρ為水和水蒸氣的密度；kα、εα、1C ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.2 空化模型

通過實(shí)際數(shù)值模擬計(jì)算表明了，Zwart-Gerber-Belamri模型計(jì)算精度高[17]。相間質(zhì)量傳遞公式如下：

式中：Fvap為蒸發(fā)系數(shù)；Fcond為凝結(jié)系數(shù)；Rb為氣泡半徑；αv為氣核的體積分?jǐn)?shù)；各參數(shù)取值分別為：Fvap=50，F(xiàn)cond=0.01，Rb=1×10-6m。

2 仿真建模

2.1 物理模型及邊界條件

風(fēng)琴管噴嘴計(jì)算域幾何尺寸如圖1所示。

圖1 噴嘴及流場(chǎng)尺寸模型

各邊界參數(shù)和模擬工作參數(shù)如表1所示。噴嘴幾何尺寸不變，改變?nèi)肟趬毫蛧娋?，模擬流場(chǎng)流動(dòng)情況。

表1 參數(shù)條件

水和水蒸氣的密度分別為1 000 kg/cm3和0.025 58 kg/cm3，黏度系數(shù)分別為0.001 kg/m·s和1.2×10-6kg/m·s。

入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為壓力出口。湍流模型選用RNGk-ε模型，壓力速度耦合求解選用SIMPLEC算法，壓力插值格式使用PRESTIO!格式，其余項(xiàng)選用二階迎風(fēng)格式離散，收斂殘差為10-5。改變?nèi)肟趬毫Λ@得壓力對(duì)射流特性的影響。運(yùn)行環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，忽略重力。固體壁面速度滿足無滑移條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分

用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，對(duì)諧振腔和吼道部分網(wǎng)格進(jìn)行加密。流場(chǎng)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 噴嘴及流場(chǎng)網(wǎng)格劃分

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 空化射流流場(chǎng)模擬結(jié)果研究與討論

圖3 及圖4所示為射流流場(chǎng)的速度云圖及水蒸氣體積分?jǐn)?shù)圖。根據(jù)計(jì)算過程，噴嘴直徑為4 mm，噴嘴入口直徑20 mm，入口壓力為40 MPa時(shí)，則射流速度為290 m/s，且噴嘴內(nèi)部的水流速度隨著噴嘴直徑的縮小而增加，計(jì)算結(jié)果符合；從形狀來看，該結(jié)構(gòu)能夠明顯看出射流段及基本段。圖5所示為壓力云圖以及局部放大圖，從圖中看出，在噴嘴吼道附近，能看到產(chǎn)生負(fù)壓，且產(chǎn)生負(fù)壓的位置有明顯的空泡初生現(xiàn)象；另外，射流中心速度大于射流邊界速度，符合空化水射流理論。

圖3 入口壓力為40 MPa時(shí)刻下的速度云圖

圖4 入口壓力為40 MPa時(shí)刻下的氣相云圖

圖5 入口壓力為40 MPa時(shí)刻下的壓力云圖

3.2 高壓條件下的空化射流流場(chǎng)軸向特性

流場(chǎng)軸向速度隨入口壓力的變化情況如圖6所示。噴距為2D，曲線從距入口段4 mm處開始計(jì)算。不同入口壓力條件下射流軸向速度分布規(guī)律相同，且有顯著軸對(duì)稱性?？栈瘒娮焓湛s段，因收縮結(jié)構(gòu)的作用，水流軸向速度逐漸增加；進(jìn)入圓柱段后橫截面積不變，軸向速度變化較小，即為等速核。在圓柱段出口截面軸線上的最大軸向速度分別為210、230、249、271和290 m/s；在圓柱后半段，射流與水發(fā)生剪切產(chǎn)生阻力及摻混，射流軸向速度減小，當(dāng)射流到達(dá)邊界時(shí)，速度降為0，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓能作用到靶件上。

圖6 不同入口壓力時(shí)流場(chǎng)軸向速度

流場(chǎng)軸向靜壓隨入口壓力的變化情況如圖7所示。在噴嘴的入口段，壓力急劇降低，在噴嘴的圓柱段(17.5 mm＜x＜21.5 mm)處形成了非常明顯的負(fù)壓降，其中，壓力為40 MPa時(shí)所產(chǎn)生負(fù)壓的范圍最大，在噴嘴的出口段，壓力逐漸升高。當(dāng)隨液流流動(dòng)的氣核經(jīng)歷沿噴嘴軸心這樣的壓力變化，就會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，而圓柱段處形成的負(fù)壓越大，負(fù)壓范圍越大，越有利于空化的產(chǎn)生及空化泡的輸運(yùn)。

圖7 不同入口壓力時(shí)流場(chǎng)軸向靜壓

流場(chǎng)軸向氣相體積分?jǐn)?shù)隨入口壓力的變化情況如圖8所示。隨著入口壓力的不斷增加，氣相的體積濃度增加，由于不同流速流體之間的剪切作用，會(huì)形成局部的低壓區(qū)，空化泡繼續(xù)增大，所以空化主要發(fā)生在噴嘴出口段拐角處，這與空化一般發(fā)生在穩(wěn)定空化射流的下游相符。圖中空化區(qū)域主要集中在吼道入口處，并隨著噴嘴入口壓力的增大，氣相分布區(qū)域也不斷擴(kuò)大，這表明空化程度隨壓力增大而增強(qiáng)。

圖8 不同入口壓力時(shí)流場(chǎng)氣相體積分?jǐn)?shù)

圖9 表示入口壓力為35 MPa時(shí)，軸向位置上的氣相體積分?jǐn)?shù)和速度。射流在噴嘴的入口段速度加快、壓力降低，在圓柱段的壓力降到飽和蒸汽壓以下，空化開始產(chǎn)生，在速度發(fā)展成最大的時(shí)候，氣相體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到最大。隨著射流向外流場(chǎng)中流動(dòng)，射流速度逐漸降低，負(fù)壓逐漸減小，氣相分布也逐漸減小。隨著空化泡向外流場(chǎng)輸運(yùn)，由于空化泡的不斷潰滅，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小至某一范圍，此范圍的大小受環(huán)境壓力及溫度影響。

圖9 入口壓力為35 MPa時(shí)水射流流場(chǎng)氣相體積分?jǐn)?shù)和速度分布

3.3 高壓條件下的空化射流流場(chǎng)徑向特性

選擇入口壓力為35 MPa的仿真計(jì)算結(jié)果分析不同噴距下的流場(chǎng)情況。

圖10 所示為不同噴距的速度場(chǎng)分布。在噴嘴段內(nèi)，射流流速逐漸增加，與環(huán)境流體劇烈混合后，發(fā)展形成等速核，此時(shí)射流速度達(dá)到峰值并保持恒定。射流經(jīng)噴嘴加速后高速噴出，沖擊巖石后沿壁面徑向漫流，最終從流體域側(cè)壁出口流出。當(dāng)射流逐漸接近壁面后，射流速度逐漸衰減至零。隨著噴距的增大，射流速度逐漸減小，射流沖蝕破壞能力逐漸減弱。

圖10 不同噴距的速度場(chǎng)分布

射流沖擊壓力，是引起巖石破壞損傷的主要原因之一。圖11所示為不同噴距的靜壓分布，在噴嘴內(nèi)部，隨著流體速度增加，壓力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，造成流場(chǎng)靜壓逐漸降低。在射流滯止區(qū)，流體速度急劇下降，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，使得該區(qū)域靜壓急劇升高，形成較大的壓力梯度。隨著噴距逐漸增大，在流沖擊面上，駐點(diǎn)壓力最高，沿徑向壓力逐漸降低，射流沖蝕能力逐漸下降。圖12所示為不同噴距的氣相體積分?jǐn)?shù)分布，隨著噴距逐漸增大，駐點(diǎn)處的氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，說明空化泡在噴距為2D的時(shí)候潰滅的最多，受靶件表面的影響最大，即存在空化泡潰滅的最佳位置。

圖11 不同噴距的靜壓分布

圖12 不同噴距的氣相體積分?jǐn)?shù)分布

4 結(jié)語

文章利用流體軟件中的湍流模型對(duì)風(fēng)琴管型空化噴嘴的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在分析不同入口壓力下的參數(shù)變化對(duì)噴嘴流場(chǎng)的影響。獲得流場(chǎng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和氣相體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律。分析射流噴嘴入口壓力對(duì)空化水射流空化效果的影響，獲得空化噴嘴水射流流場(chǎng)特性。通過對(duì)模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)不同壓力條件下射流軸向速度和軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，且具有顯著的軸對(duì)稱性，并且在圓柱段出口截面軸線上，最大軸向速度和最大軸向動(dòng)壓力均隨入口壓力的增加而增大。

(2)噴嘴空化氣泡最先發(fā)生在射流由圓柱段進(jìn)入收縮段(吼道)的位置，并主要分布在收縮段(吼道)的近壁面附近，呈軸對(duì)稱的放射狀，氣相體積分?jǐn)?shù)沿噴嘴擴(kuò)散段近壁面逐漸減小。

(3)隨著射流入口壓力的增加，吼道處所產(chǎn)生的負(fù)壓范圍增大，有利于空化的產(chǎn)生及空化泡的輸運(yùn)，所以流場(chǎng)最大氣相體積分?jǐn)?shù)增大。

(4)隨著射流向外流場(chǎng)中流動(dòng)，射流速度逐漸降低，負(fù)壓逐漸減小，由于空化泡的不斷潰滅，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小至某一范圍，此范圍的大小受環(huán)境壓力及溫度影響。

(5)隨著噴距的逐漸增大，駐點(diǎn)處的氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，說明空化泡在噴距為2D的時(shí)候潰滅的最多，即存在空化泡潰滅的最佳位置。