鈾化物料桶清洗噴頭的水射流分析*

鄭幫龍，雷澤勇，李 魁，樂(lè)澤鋅，李興鎮(zhèn)

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000)

0 引 言

水射流清洗技術(shù)是一項(xiàng)無(wú)污染、高效的清洗技術(shù)，其在機(jī)械、航空航天、建筑采礦、石油等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)仍然有著不小的差距，隨著流體在仿真方法與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的發(fā)展，使射流技術(shù)在清洗行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)產(chǎn)鈾化學(xué)濃縮物因物料物理性狀及專用料桶等原因，仍一直沿用人工操作方式，在對(duì)塊狀、膏狀等物料進(jìn)行處理時(shí)，則需要使用撬棍、鏟鍬等工具，殘留在桶壁的物料采用人工清洗的方式進(jìn)行清洗，物料具有一定的放射性，清洗時(shí)水和物料的混合物容易飛濺，造成二次污染。由于水射流技術(shù)在清洗料桶、儲(chǔ)物罐體等方面應(yīng)用較廣，采用水射流清洗料桶是一種較為可行的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為研究不同參數(shù)條件下的高壓射流進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬仿真。

Saha等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)對(duì)射流破碎狀態(tài)的影響，探討了長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)不穩(wěn)定性分別對(duì)低韋伯?dāng)?shù)和高韋伯?dāng)?shù)范圍的影響。將射流破碎分為三個(gè)區(qū)域，噴嘴附近一個(gè)由薄膜和韌帶區(qū)域組成的區(qū)域，在該區(qū)域發(fā)生初級(jí)破裂和一些次級(jí)破裂；第二區(qū)域，二次破裂過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，但隨著破破碎時(shí)間變長(zhǎng)而減弱，離心分散力成為主導(dǎo)，將較大的液滴去除到射流軸線周邊，遠(yuǎn)離噴霧的區(qū)域，聚結(jié)占主導(dǎo)地位，液滴直徑開(kāi)始增加[1]。Demoulin創(chuàng)建了一個(gè)DNS數(shù)據(jù)庫(kù)并用該方法數(shù)值模擬了柴油的噴射，來(lái)驗(yàn)證歐拉-拉格朗日噴嘴射流的破碎霧化模型[2]。Riha Z對(duì)比了調(diào)制水射和連續(xù)水射流在與材料相互期間的侵蝕現(xiàn)象，借用MicroProf FRT光學(xué)儀器觀察侵蝕的材料的痕深、痕寬，以及對(duì)比材料的去除率，發(fā)現(xiàn)調(diào)制水射流去除材料的效率是相同條件下連續(xù)射流的四倍[3]。Lopatnikov提出一種通過(guò)高度壓縮在具有高阻抗桿中產(chǎn)生高速的短射流這種方法可以產(chǎn)生速度高于1500m/sec的水射流[4]。Xia Y比較在沒(méi)有空氣情況與有空氣情況下的水射流，揭示了空氣在促進(jìn)水射流發(fā)生破碎過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[5]。

射流仿真方法主要對(duì)氣液界面進(jìn)行捕捉，其采用的方法主要有Level-set(水平集)法、CLSVOF(水平集與體積分?jǐn)?shù)耦合)法、VOF(體積分?jǐn)?shù))法、VOF TO DPM法[8-11]。文中采用基于VOF模型模擬射流從噴嘴中噴射的過(guò)程，通過(guò)求解單獨(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)(Volume Fraction)來(lái)模擬空氣與水不能混合的流體間的相互作用及對(duì)清洗效果的影響，為物料桶的清洗提供一定理論指導(dǎo)。

1 流場(chǎng)仿真分析

1.1 物理模型

噴頭作為射流清洗的重要元件，其結(jié)構(gòu)直接影響清洗效果，建立多噴口水射流模型，水經(jīng)過(guò)入口流經(jīng)噴嘴內(nèi)流域，然后通過(guò)噴嘴噴出進(jìn)入空氣，水射流射擊清洗的目標(biāo)，其模型如圖1所示。根據(jù)噴嘴的模型建立氣液兩相流的流體域,采用ANSYS中的網(wǎng)格劃分模塊mesh對(duì)二維流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)邊界條件進(jìn)行命名便于后續(xù)設(shè)置邊界條件的參數(shù)，同時(shí)將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入FULENT模塊在FULENT的顯示網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 多噴口水射流模型

圖2 流體域劃分網(wǎng)格

文中基于VOF模型進(jìn)行計(jì)算，其水相的體積分?jǐn)?shù)的追蹤，通過(guò)追蹤水相得到射流的軌跡，其初始狀態(tài)水相和空氣相的體積分?jǐn)?shù)分布如圖3所示，體積分?jǐn)?shù)最高的區(qū)域?yàn)榱鞯览锏乃?，體積分?jǐn)?shù)最低的區(qū)域?yàn)樗淞鲝膰娍谏涑龅耐饨缈諝猓ㄟ^(guò)跟蹤相的狀態(tài)來(lái)模擬水從噴嘴中噴出的過(guò)程。

圖3 主次相的體積分?jǐn)?shù)分布

1.2 射流計(jì)算的控制方程

流體的流動(dòng)可以用連續(xù)性方程、牛頓運(yùn)動(dòng)定律的動(dòng)量方程以及熱力學(xué)第一定律的能量方程,本文未考慮其中的傳熱效應(yīng)，忽略熱量損失的影響。

(1) 連續(xù)性方程

流體的流動(dòng)問(wèn)題必須滿足質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元的凈質(zhì)量，對(duì)于可壓縮和不可壓縮流體都適用

其上方程是針對(duì)微體系的，第一項(xiàng)是表示單位時(shí)間內(nèi)體系密度的增加量，第二項(xiàng)可理解為，體系密度的增加是由于體積的減小造成的，Sm是任何定義的認(rèn)為添加的到控制方程的質(zhì)量和散發(fā)的第二相(例如液滴蒸發(fā)等)

(2) 動(dòng)量方程

流體在流動(dòng)時(shí)遵循牛頓第二定律，即在慣性參考系中通過(guò)牛頓第二定律推導(dǎo)出的方程。

1.3 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)值仿真的計(jì)算，得出水相的分布云圖如圖4所示，水經(jīng)過(guò)多噴頭噴出，進(jìn)入空氣后最后射向壁面，水射流撞擊壁面后一部分的水射流反彈，另一部分的水射流沿壁面流動(dòng)。由圖5的壓力分布圖來(lái)看其水流經(jīng)過(guò)出口流出后壓力在出口處變大，然后隨著距離變長(zhǎng)壓力逐漸減小。由圖6 的水速度分布云圖可以看出其水噴出噴口的一塊的速度較大隨著距離逐漸衰減，當(dāng)水射流撞擊壁面后一部分的水反射另一部分的水沿壁面流動(dòng)由于有一定的速度流動(dòng)的同時(shí)帶走在上面的附著物達(dá)到清洗的效果。

圖4 相的分布云圖

圖5 壓力分布圖

圖6 速度分布圖

2 不同參數(shù)對(duì)射流效果的影響

水射流從噴口噴出撞擊壁面，包含水射流能量的轉(zhuǎn)換。為研究相關(guān)參數(shù)對(duì)清洗效果的影響，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，計(jì)算同一條件下不同的入口速度，不同清洗距離時(shí)射流撞擊壁面的壓力、速度的變化得出相應(yīng)參數(shù)的合理值。

2.1 不同入口速度

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算不同速度下噴嘴的關(guān)系，其關(guān)系如圖7所示，隨著入口速度的增大，噴嘴出口的最大速度，壁面的最大速度，壁面的最大打擊力都呈直線增加。由于入口的速度增加，流場(chǎng)內(nèi)的流體速度增加。流體的速度越高，相應(yīng)的管道內(nèi)射流的動(dòng)量越高，射流的流場(chǎng)在噴嘴出口處形成的射流速度也越大。在靶距不變的情況，由于噴嘴出口速度的增加，到達(dá)壁面的時(shí)損失掉的速度相同，則相應(yīng)射流到達(dá)壁面的速度也越大。當(dāng)射流撞擊壁面其動(dòng)量轉(zhuǎn)化為打擊力，其打擊力如圖7所示的仿真數(shù)據(jù)來(lái)看其也隨之增加。噴射速度越高其射流的噴射的距離越長(zhǎng)，在距離相同的情況下射流的能量越高，在噴頭固定不動(dòng)的情況下，射流清洗的范圍越大。在清洗設(shè)備允許的功率條件下，增加射流噴射速度，清洗效率呈正相關(guān)的增加。

圖7 入口速度與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

圖8 不同距離的射流的沖擊壓力對(duì)比

2.2 不同距離

在相同的入口速度下，不同距離的壁面其射流對(duì)壁面的沖擊力、有效的射流覆蓋面積、撞擊壁面的速度存在差異性。這些參數(shù)影響清洗效果，因此有必要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，為探究這些參數(shù)間的關(guān)系，數(shù)值模擬計(jì)算不同距離的射流對(duì)壁面的影響。

在射流的入口速度固定的條件下，射流的噴射距離不同，其對(duì)壁面的沖擊壓力如圖8所示，隨距離的增加沖擊壓力整體下降，沖擊壓力的最大值在下降時(shí)其最大值位置隨距離的增也發(fā)生了改變，整體中心向軸線正方向移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)圖9所示可看出壁面剪切力隨著靶距的增大而增加。射流在打擊壁面后，向四周散開(kāi)的水射流產(chǎn)生壁面剪切力比中心位置大，分析原因由于射流因沖擊壁面角度發(fā)生改變，其分速度與壁面方向一致而引起剪切力增大。在清洗物料桶時(shí)可以適當(dāng)?shù)母淖儑婎^的角度，以增強(qiáng)清洗效果。

圖9 不同距離壁面最大剪應(yīng)力對(duì)比

由圖10可知在水射流在噴頭出口位置速度最大，隨著噴嘴離壁面的距離增大，射流的速度逐漸減小。距離越遠(yuǎn)射流的能量損失越大，在由清洗設(shè)備入口速度限制的情況，應(yīng)盡量減小射流與清洗目標(biāo)的距離，以達(dá)到更好的清洗效果。

圖10 不同距離軸線的速度對(duì)比圖

3 結(jié) 論

通過(guò)建立流體域模型與網(wǎng)格劃分，采用VOF模型對(duì)噴頭射流進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得出水射流在空氣中的軌跡。通過(guò)改變?nèi)肟谒俣?，靶距參?shù)探究其對(duì)清洗效果的影響。得出隨著入口速度的增加，其射流的出口速度、壁面最大速度和打擊力呈正相關(guān)增加；隨著射流與清洗目標(biāo)的距離增加，射流沖擊壁面壓力逐漸減小，能量損失增大。

此項(xiàng)研究對(duì)鈾化物料桶清洗噴頭研究，對(duì)改進(jìn)噴頭的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化相關(guān)參數(shù)提供了一定的指導(dǎo)意見(jiàn)，同時(shí)通過(guò)數(shù)值仿真得到，為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)提供了相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。