基于Fluent的清洗道路標(biāo)線噴嘴的仿真分析①

劉力紅, 徐 洋, 杜 鵬

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

0 引 言

噴嘴是高壓水射流清洗道路標(biāo)線機(jī)構(gòu)重要組件,其作用是通過噴嘴內(nèi)孔橫截面的收縮,將高壓水的壓力能聚集起來,并轉(zhuǎn)化為射流的動能,最后以高速水射流的形態(tài)向外噴射,達(dá)到清洗標(biāo)線的作用[1,2]。

許多學(xué)者對高壓水射流噴嘴進(jìn)行了較為廣泛的研究,楊國來[3]等針對不同結(jié)構(gòu)的圓錐形噴嘴,對高壓水射流流場的速度、壓力、介質(zhì)等物理量進(jìn)行模擬仿真,得出錐直形噴嘴的長徑比在2～4時速度最佳;沈娟[4]通過從噴嘴的主要參數(shù)著手,對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,從而得到相對最優(yōu)化的噴嘴參數(shù)組合;侯榮國[5]通過Fluent軟件對磨料射流噴嘴內(nèi)外流場進(jìn)行模擬仿真,結(jié)果表明:噴嘴內(nèi)錐面錐角和內(nèi)錐面長度是影響內(nèi)部流體速度分布的主要因素;王曉龍[6]對高壓水射流清洗道路標(biāo)線做了進(jìn)一步的仿真研究,仿真結(jié)果表明:壓力、靶距和沖擊角度的選擇均能影響清洗效果。

主要對清洗道路標(biāo)線噴嘴進(jìn)行研究,利用Fluent軟件對不同入口壓力、不同入口直徑、不同收縮角和不同沖擊角度下的噴嘴內(nèi)外流場進(jìn)行模擬仿真,旨在為清洗道路標(biāo)線噴嘴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 清洗道路標(biāo)線噴嘴模型建立

目前,常用的高壓水射流清洗噴嘴結(jié)構(gòu)有圓柱形、圓錐形和錐直形等。圓柱形噴嘴的最大水射流速度出現(xiàn)在噴嘴內(nèi)部,而圓錐形、錐直形噴嘴的最大水射流速度出現(xiàn)在噴嘴外部,且圓錐形、錐直形噴嘴的最大水射流速度和最大壓力均明顯大于圓柱形噴嘴,考慮到射流的附壁效應(yīng),錐直形噴嘴結(jié)構(gòu)為最佳選擇[7-9]。

因此,主要研究對象選用錐直形噴嘴,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于錐直形結(jié)構(gòu)噴嘴,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:噴嘴的入口直徑D,出口直徑d,收縮角α,噴嘴長徑比l/d及噴嘴長度L。

圖1 錐直形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

選取噴嘴出口直徑d=1 mm,長徑比l/d=3。通過公式(1)計(jì)算[10]:

得出噴嘴長度L。

通過AutoCAD軟件建立噴嘴內(nèi)外流場的二維對稱幾何模型,如圖2所示。其中AMLKJA為噴嘴區(qū)域,JHGFEDCBJ為水射流外流場區(qū)域。接著通過ICEM對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置AM為壓力入口,ED、DC、CB為壓力出口,其環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,ML、LK、KJ、JH、HG、GF、FE為壁面,均采用無滑移壁面邊界,AB為對稱軸。對于清洗道路標(biāo)線噴嘴模型只需要將CB設(shè)置成清洗路面,其他邊界設(shè)置均保持不變。由于高壓水射流標(biāo)線清洗涉及到氣液兩相流,所以在仿真設(shè)置中選擇多相流模型中的VOF模型和Realizablek-ε湍流模型[11-12]。此外,求解方法選擇Coupled,適當(dāng)調(diào)小松弛因子,離散格式選擇二階迎風(fēng)格式等設(shè)置會使計(jì)算過程相對穩(wěn)定并且能夠得到更加精確的計(jì)算結(jié)果。

圖2 噴嘴內(nèi)外流場的幾何模型

將分別選取噴嘴入口直徑D=3 mm、4 mm、5 mm,收縮角α=15°、30°、45°,建立噴嘴內(nèi)外流場仿真模型。

2 噴嘴內(nèi)外流場模擬結(jié)果分析

2.1 不同壓力對標(biāo)線清洗效果的影響

選取70 MPa、80 MPa、90 MPa和100 MPa四種不同的噴嘴入口壓力,分別對噴嘴內(nèi)外流場進(jìn)行模擬仿真,從仿真數(shù)據(jù)可以看出四種不同出口壓力下,對應(yīng)的最高水射流的沖擊速度分別為373.82 m/s,399.72 m/s、423.99 m/s和446.95 m/s,其速度變化圖對比圖如圖3所示。

圖3 四種不同壓力下速度分布對比圖

通過圖3可以看出,在噴嘴壓力入口處,由于噴嘴內(nèi)壓力聚集,流體并沒有明顯的流動,流體的速度趨于穩(wěn)定;在噴嘴收縮段附近,由于收縮角的存在,流體高度聚集產(chǎn)生了很大的速度梯度,在噴嘴出口處速度達(dá)到最大值;在遠(yuǎn)離噴嘴孔處,由于流體與周圍的環(huán)境介質(zhì)(即大氣)之間發(fā)生了劇烈的動量交換和紊動擴(kuò)散,射流速度開始出現(xiàn)下降的趨勢。由此說明噴嘴入口壓力是影響射流速度的重要因素。入口壓力越大,射流最大速度越大,清洗道路標(biāo)線的效果會越好。因此,在不考慮對路面基體損傷的情況下,選擇100 MPa的壓力用于清洗道路標(biāo)線是合理的。

2.2 不同入口直徑對標(biāo)線清洗效果的影響

在選定噴嘴入口壓力為100 MPa的情況下,分別對入口直徑D為3mm、4mm和5mm的噴嘴進(jìn)行內(nèi)外流場的模擬仿真。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到如圖4所示的速度分布對比圖。

圖4 三種不同入口直徑的速度分布對比圖

通過圖4可以看出,在相同的入口壓力下,噴嘴入口直徑D=3 mm、4mm、5mm的最大沖擊速度分別為446.56 m/s,447.04 m/s,447.29 m/s。在噴嘴出口處的射流速度差距并不明顯,射流速度場的整體趨勢基本一致。綜上所述,噴嘴的入口直徑大小并不是影響標(biāo)線清洗效果的因素。因此,將選用噴嘴入口直徑D=5 mm繼續(xù)進(jìn)行其他參數(shù)對標(biāo)線清洗效果的影響。

2.3 不同收縮角對標(biāo)線清洗效果的影響

選取15°、30°、45°三種不同角度的收縮角,在其他相同工況參數(shù)下,對噴嘴內(nèi)外流場進(jìn)行模擬仿真。對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到如圖5所示的速度分布對比圖。

圖5 不同收縮角的速度分布對比圖

通過圖5可以看出,α=15°時的最大沖擊速度略微大于α=30°和45°的最大沖擊速度。且隨著收縮角α的增大,射流速度衰減的趨勢也相對明顯。此外,在距離噴嘴出口30 mm處的徑向沖擊速度如圖6所示。

圖6 距離噴嘴出口30mm處的徑向沖擊速度對比圖

通過圖6可以看出,收縮角α=15°、30°、45°在距離噴嘴出口30 mm處徑向最小速度分別為335.09 m/s,354.85 m/s,322.91 m/s。雖然α=15°中心速度較大,射流的集束性較好,但是射流軸心邊緣速度較小,適用于射流切割;然而,α=30°軸心邊緣速度較大,有較高的能量,有助于提高清洗的效率。綜上所述,選用收縮角α=30°的噴嘴用于標(biāo)線清洗是最佳的。

2.4 不同沖擊角度對標(biāo)線清洗效果的影響

在選定噴嘴入口壓力為100 MPa的情況下,確定高壓噴嘴與路面的距離為50 mm,仿真出口直徑為1 mm的噴嘴在0°、30°和60°三種不同沖擊角度下的水射流沖擊壁面的流場。其中,水射流沖擊角度是指水射流沖擊方向與被清洗標(biāo)線路面法線方向之間的夾角。三種不同沖擊角度的速度云圖如圖7所示。為了方便觀測,在不同沖擊角度下,選擇沖擊路面作為基面,其徑向速度的分布對比圖如圖8所示。

圖7 三種不同沖擊角度的速度云圖

圖8 不同沖擊角度橫向速度的分布對比圖

通過圖7和圖8可以看出,當(dāng)沖擊角度為0°時,高壓水射流垂直沖擊路面,明顯產(chǎn)生水的濺射現(xiàn)象,這些濺射的流體阻礙了射流對路面標(biāo)線清洗的能力,從而影響了射流對標(biāo)線的清洗效果;當(dāng)沖擊角度為30°時,射流沖擊路面,不會明顯產(chǎn)生濺射現(xiàn)象,射流作用到路面后,沿著路面方向的射流具有更大的能量和速度,對路面能達(dá)到更好的沖擊清洗效果;當(dāng)沖擊角度為60°時,大部分的射流沿路面損失,且射流的利用率較低,從而也大大降低了射流對路面標(biāo)線清洗的能力。綜上所述,選擇30°的沖擊角,不僅可以使射流的利用率達(dá)到最大化,同時也可以提高對路面標(biāo)線的清洗效果。

3 結(jié) 論

1)入口壓力越大,水射流的最大沖擊速度越大,選擇100 MPa的壓力用于清洗道路標(biāo)線是合理的。

2)噴嘴的入口直徑大小并不是影響標(biāo)線清洗效果的因素。

3)收縮角α=15°射流束集中,中心速度大,軸心邊緣速度小,適用于射流切割;收縮角α=30°軸心邊緣速度大,有較高的能量,有助于提高射流清洗效率。

4)水射流沖擊角度的不同對清洗道路標(biāo)線效果的影響也各不相同,選擇30°的沖擊角,不僅可以提高射流利用率,也可以得到更好的清洗效果。

5)最終選擇噴嘴出口直徑d=1mm,入口直徑D=5mm,收縮角α=30°,長徑比l/d=3,作為噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù),為之后清洗道路標(biāo)線噴嘴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。