基于Fluent 的高壓清洗機(jī)噴嘴優(yōu)化

胡壽高，冷和，楊懷寧，李浙昆

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.650231 云南省 昆明市 紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司昆明卷煙廠；3.650228 云南省 昆明市 云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院）

0 引言

由于產(chǎn)量大，卷煙廠在生產(chǎn)過程中需要大量使用煙盤，而煙盤在使用后表面會(huì)積附大量的油漬，如圖1 所示。由于油漬本身難以清洗，加上煙盤外側(cè)結(jié)構(gòu)落差大、表面粗糙度大，增大了油漬的清洗難度。

圖1 沾有油漬的煙盤Fig.1 Cigarette trays stained with oil

為了清洗大量的煙盤，煙廠購買了某型號(hào)高壓清洗機(jī)。該清洗機(jī)流量為15 L/min，采用的是直線型噴嘴，其水射流大致為一條直線。直線型射流的沖擊力足以去除油漬，但其覆蓋范圍小，導(dǎo)致在大面積清洗作業(yè)時(shí)效率低下而耗費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)在清洗過程中還容易形成帶狀的清洗痕跡。為此，煙廠在使用清洗機(jī)清洗煙盤的同時(shí)還安排了人工刷洗，增加了清洗作業(yè)的成本消耗。

為了提高清洗效率，對(duì)清洗機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是很有必要的。而噴嘴作為水射流設(shè)備的執(zhí)行部件，是將高壓水轉(zhuǎn)化為高速水射流的關(guān)鍵部位[1]。在同樣的流量下要想提高清洗機(jī)的清洗效率，對(duì)噴嘴的優(yōu)化十分關(guān)鍵。本文將針對(duì)煙盤這類清洗目標(biāo)提出噴嘴的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并運(yùn)用ANSYS Workbench 的Fluent 模塊對(duì)噴嘴的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

1 高壓水射流除污機(jī)理

高壓水射流清洗技術(shù)是在國際上興起的一種高效清洗技術(shù)，當(dāng)高速水射流到達(dá)目標(biāo)表面時(shí)，其巨大的動(dòng)能作用在物體表面上產(chǎn)生巨大沖擊力，利用沖擊力可以將污漬、泥沙、銹跡、涂層等從目標(biāo)表面清除。高壓水射流清洗技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的清洗技術(shù)，工業(yè)上使用此技術(shù)進(jìn)行清洗的比例已達(dá)到80%～85%。相較傳統(tǒng)的人工清洗、化學(xué)清洗、機(jī)械清洗等方法，高壓清洗技術(shù)具有清洗效率高、更加環(huán)保、適用范圍廣、使用成本低、不損傷目標(biāo)表面，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。此外，高壓水射流清洗作業(yè)還可在空間狹小、壞境惡劣的工作場(chǎng)合進(jìn)行[2]。

噴嘴是高壓清洗設(shè)備的執(zhí)行元件，噴嘴出水處的截面積遠(yuǎn)小于進(jìn)水處，因此由水泵輸送過來的高壓水流在進(jìn)入小截面通道時(shí)，流速會(huì)迅速增大。由此通過噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)，高壓水流被轉(zhuǎn)換為了高速水射流噴出，并以很高的動(dòng)能作用在物體表面，從而達(dá)到清洗效果。

2 常用的噴嘴結(jié)構(gòu)

煙廠使用的直線型噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。直線型噴嘴是目前最常用的噴嘴結(jié)構(gòu)之一，其出口端流道為圓柱形，能夠?qū)⑸淞骷谢瑢?shí)現(xiàn)更強(qiáng)的水流打擊力。但其理論上射流為一條直線，打擊寬度偏小，清洗效率低。

圖2 直線型噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of linear nozzle

除了直線型噴嘴外，清洗機(jī)上常用的噴嘴類型還有扇形噴嘴，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。不同于直線型噴嘴，扇形噴嘴的出口處有一個(gè)橢圓形的流道。一個(gè)V 形槽從外部切割后，與橢圓形流道相貫通形成了扇形噴嘴的整個(gè)流道結(jié)構(gòu)[3]。

圖3 扇形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of fan nozzle

扇形噴嘴能夠形成不同角度的扇形水射流，沖洗寬度大，適用于平整表面的清洗，但其軸向的速度下降率大，靶距適應(yīng)性差，因此并不適用于煙盤外側(cè)的高落差結(jié)構(gòu)。

3 噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

污漬的剝蝕量計(jì)算公式如下[4]：

式中：J ——污漬總剝蝕量，m3；H——污漬厚度，mm；B——水射流打擊寬度，m；V——噴頭的移動(dòng)速度，m/s；t ——清洗作業(yè)用時(shí)，s。

在單位時(shí)間t 內(nèi)，增加污漬的總清洗量J 便可增加清洗效率。H 為污漬固有屬性，無法人為控制。噴頭移動(dòng)速度V 是根據(jù)具體清洗效果而定的，水射流的沖擊力增大，V 的值也會(huì)增大。通過改變噴嘴結(jié)構(gòu)、改變靶距等方法可增大水射流打擊寬度B，故V 與B 的值是人為可控的。

由此可得，J 值主要通過改變B 與V 的值來人為控制，因此對(duì)噴頭的優(yōu)化主要集中在對(duì)射流寬度與射流沖擊力的綜合優(yōu)化上。然而在同樣的水流量條件下，射流寬度增大的同時(shí)，射流分散會(huì)使沖擊力減小，同時(shí)煙盤的主要清洗面結(jié)構(gòu)多凹槽、落差大，要求射流要有良好的靶距靈活性。

綜上分析制定以下優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：增加射流寬度的同時(shí)，減小對(duì)射流沖擊力的影響，控制射流速度的下降率。

3.2 優(yōu)化方案

對(duì)于恒定流量的高壓清洗機(jī)，在不同作業(yè)場(chǎng)合要提高清潔效率，改變噴嘴的結(jié)構(gòu)形式是最經(jīng)濟(jì)且便捷的方法。要實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化目標(biāo)，可以采用扁平型寬噴嘴，即在保持出口截面積不變的情況下，適當(dāng)增大出口寬度，同時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)流段。圖4 為優(yōu)化后的扁平噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 扁平型噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of flat nozzle

噴嘴出口截面呈細(xì)長(zhǎng)狀，為便于對(duì)比分析，其出口截面積設(shè)計(jì)為與直線型噴嘴相同。扁平型噴嘴相比直線型噴嘴，射流寬度會(huì)更大，且保留了直線型噴嘴射流集中的特點(diǎn)，沿射流方向的速度下降率也能做到盡可能小。這樣對(duì)于煙盤這種凹槽結(jié)構(gòu)偏多的結(jié)構(gòu)來說，清洗時(shí)的靶距可以做到更加靈活。

4 CFD 流場(chǎng)分析與對(duì)比

4.1 軟件簡(jiǎn)介

本研究中用于流體仿真的軟件為ANSYS Workbench中的Fluent模塊。Fluent是目前國際上比較流行的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）軟件，擁有豐富的集成物理模型和流體問題數(shù)值方法，對(duì)于流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)模擬，使用離散數(shù)值分析模擬流體動(dòng)力學(xué)模型，采用不同的計(jì)算方法和離散形式，解決不同模型下的流動(dòng)問題[5]。

4.2 直線型噴嘴的流場(chǎng)仿真

4.2.1 建立模型

煙盤高壓清洗作業(yè)靶距一般在20～30 cm，因此主要對(duì)距離出口30 cm內(nèi)的射流進(jìn)行模擬仿真，分析射流的速度變化以及射流作用在目標(biāo)表面上的壓力分布情況。

直線型噴嘴的簡(jiǎn)化模型長(zhǎng)度為35 mm，出口孔徑為3 mm，噴嘴外流場(chǎng)模型為直徑80 mm、長(zhǎng)300 mm 的圓柱體。將模型導(dǎo)入ICEM 網(wǎng)格劃分工具，繪制結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。直線型噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)模型與網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 直線型噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)模型和網(wǎng)格劃分Fig.5 Internal and external flow field model and mesh generation of linear nozzle

4.2.2 仿真分析

在Fluent 中選擇VOF 模型和k-epsilon 模型，噴嘴入口設(shè)置為速度入口，速度值為2.2 m/s，噴嘴壁設(shè)置為wall，為了研究射流作用在目標(biāo)表面的情況，將外流場(chǎng)右端面也設(shè)置為wall，其余面設(shè)置為壓力出口。設(shè)置步長(zhǎng)為0.000 5，迭代次數(shù)為2 000 次開始計(jì)算。

在后處理中得到的速度云圖以及目標(biāo)面上的壓力云圖分別如圖6、圖7 所示。由圖6 中可以看出，直線型噴嘴的射流結(jié)構(gòu)致密，聚集性強(qiáng)，最大速度為38.93 m/s，速度下降率較小。由圖7中可以看出，直線型噴嘴的射流的作用寬度小，目標(biāo)表面上的壓力由中心點(diǎn)向四周以圓環(huán)狀迅速減小。

圖6 直線型噴嘴對(duì)稱面速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of symmetrical plane of linear nozzle

圖7 直線型噴嘴目標(biāo)表面壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram of target surface of linear nozzle

4.3 優(yōu)化扁平型噴嘴的流場(chǎng)分析

4.3.1 建立模型

為了便于對(duì)比分析，需要保持直線型與優(yōu)化型噴嘴的出口處速度一致，由此優(yōu)化后的扁平噴嘴出口截面積與直線型噴嘴一致。建立的扁平型噴嘴內(nèi)流場(chǎng)模型如圖8 所示，噴嘴模型長(zhǎng)度為35 mm，噴嘴寬度為10 mm，高為0.7 mm。

圖8 扁平型噴嘴內(nèi)流場(chǎng)模型圖Fig.8 Internal flow field model of flat nozzle

建立與直線型噴嘴相同的圓柱形外流場(chǎng)模型，優(yōu)化后的噴嘴出口較窄，因此需要更加細(xì)致的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。扁平型噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)模型和網(wǎng)格劃分如圖9 所示。

圖9 扁平型噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)模型和網(wǎng)格劃分Fig.9 Internal and external flow field model and mesh generation of flat nozzle

4.3.2 仿真分析

為了模擬水射流的打擊效果，同樣也將外流場(chǎng)末端截面設(shè)置為wall 壁面，參照直線型的設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的速度云圖以及壓力云圖分別如圖10、圖11 所示。從圖10 中可以看出，扁平型噴嘴的射流較為集中，致密性良好，最大速度為39.18 m/s，與直線型噴嘴基本相同。從圖11 中可以看出，扁平型噴嘴的射流擊打效果與直線型噴嘴不同，目標(biāo)表面上的壓力分布比較均勻，且作用寬度更大。

圖10 扁平型噴嘴對(duì)稱面速度云圖Fig.10 Velocity nephogram of symmetrical plane of flat nozzle

圖11 扁平型噴嘴目標(biāo)表面壓力云圖Fig.11 Pressure nephogram of flat nozzle target surface

4.4 結(jié)果對(duì)比與分析

4.4.1 速度變化曲線對(duì)比

圖12 和圖13 所示為后處理中得到的速度變化曲線圖，直觀地展示了直線型噴嘴與扁平型噴嘴自速度入口0～335 mm 范圍內(nèi)的射流速度變化情況?？梢钥闯觯S著射流距離的增加，兩種噴嘴射流在35 mm 后（即從噴嘴出口射出后）的速度均呈下降趨勢(shì)。直線型噴嘴射流速度下降率小且穩(wěn)定，由39.3 m/s 的速度下降到了37 m/s；扁平型噴嘴射流速度在前段的下降率偏大，隨后便以較小的下降率穩(wěn)定下降，整個(gè)過程從39.2 m/s降至35 m/s。兩種噴嘴水射流到達(dá)目標(biāo)表面的速度相差并不大，這是因?yàn)楸馄叫蛧娮鞂?dǎo)流段保證了射流致密性，減小了射流加寬帶來的空氣阻滯作用影響。

圖12 直線型噴嘴射流速度變化曲線Fig.12 Variation curve of jet velocity of linear nozzle

圖13 扁平型噴嘴射流速度變化曲線Fig.13 Variation curve of jet velocity of flat nozzle

4.4.2 射流打擊效果對(duì)比

在目標(biāo)表面豎直方向創(chuàng)建一條過圓心的線段，在后處理中以線段上的壓力數(shù)值繪制出2 種噴嘴的壓力變化曲線分別如圖14、圖15 所示。

從曲線圖可以看出，直線型噴嘴射流作用在目標(biāo)表面上的壓力十分集中，呈尖塔狀，最大壓力為5.9 MPa，其中超過0.1 MPa 的有效打擊寬度為只有5 mm，在這5 mm 內(nèi)的等效壓力約為0.43 MPa。

相比之下，優(yōu)化后的扁平型噴嘴的有效打擊寬度更大，達(dá)到了12 mm，為直線型噴嘴的2.4倍。同時(shí)射流在目標(biāo)表面上的壓力分布更加均勻，等效壓力為0.34 MPa，為直線型噴嘴的0.79 倍。參考式（1）可得，在同樣的水流量條件下，優(yōu)化后的扁平型噴嘴的清洗效率約為直線型噴嘴的1.9 倍。

圖14 直線型噴嘴目標(biāo)表面壓力變化曲線Fig.14 Pressure curve of target surface of linear nozzle

圖15 扁平型噴嘴目標(biāo)表面壓力變化曲線Fig.15 Pressure curve of flat nozzle target surface

5 結(jié)論

本文針對(duì)煙盤的高壓水射流清洗作業(yè)，對(duì)高壓清洗機(jī)使用的噴嘴做了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并利用Fluent 軟件分別對(duì)直線型噴嘴和優(yōu)化后的扁平型噴嘴進(jìn)行了CFD 流場(chǎng)仿真。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在出口截面積不變的前提下，適當(dāng)加寬射流出口，可以增大射流打擊寬度而不破壞射流致密性與速度穩(wěn)定性，這樣便保證了扁平型噴嘴的靶距適應(yīng)性，對(duì)于煙盤這類表面不規(guī)則、落差較大的清洗目標(biāo)，可以明顯提高清洗效率。