轉(zhuǎn)盤流道結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)箱清洗裝備噴嘴流場(chǎng)特性的影響

廖宇琦，袁太平，胡昱，王紹敏，陶啟友，黃小華

(1上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，上海 201306；2 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所熱帶水產(chǎn)研究開發(fā)中心，海南 三亞，572000)

網(wǎng)衣清洗是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，空化射流網(wǎng)衣清洗裝備作為有效解決深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣污損生物嚴(yán)重附著問題的重要工程手段，已成為近年來的研究熱點(diǎn)[1-4]。高壓流經(jīng)清洗裝備分流轉(zhuǎn)盤流道及噴嘴后，在噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處發(fā)生空化效應(yīng)而形成空化射流，空泡在網(wǎng)面持續(xù)破裂時(shí)伴隨有大幅的激波和微射流產(chǎn)生，形成污損生物脫落的破碎力，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)衣的清洗[5]。

數(shù)值模擬方法作為研究流道內(nèi)部流場(chǎng)水力特性的重要手段，已廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)機(jī)械工程領(lǐng)域[6-10]。胡國(guó)良等[11]利用Fluent軟件對(duì)消防水炮炮身模型進(jìn)行了模擬仿真，分析了炮身流道壁面的壓力及出口速度分布情況。謝華等[12]采用數(shù)值模擬方法分析了肘形進(jìn)水流道出口斷面的流速分布和水力損失等指標(biāo)，為實(shí)際加工選出最優(yōu)方案。劉長(zhǎng)譽(yù)等[13]利用Fluent軟件模擬了不同閥口開度下液壓閥內(nèi)部流場(chǎng)壓力、速度的分布，表明閥口開度增大，流場(chǎng)壓力和速度梯度逐漸減小。Spence等[14]運(yùn)用4種不同的湍流模型對(duì)曲率半徑比為 1.3、5、20的彎管進(jìn)行模擬，分析了各彎管的上下游壓力分布、內(nèi)外壁壓力分布、速度場(chǎng)，結(jié)果表明，RSM模型可為不同曲率半徑彎管提供準(zhǔn)確的壓力損失數(shù)據(jù)。付強(qiáng)等[15]采用RNGk-ε模型數(shù)值模擬肘型和簸箕型進(jìn)水流道，表明肘型進(jìn)水流道的水頭損失比簸箕型進(jìn)水流道小。朱登偉等[16]數(shù)值模擬了立柱內(nèi)走油單雙通道壓力損失和流速變化，表明單通道流道壓力損失最小，速度最大，可作為最優(yōu)通道。綜上所述，流道結(jié)構(gòu)的變化對(duì)流道內(nèi)流場(chǎng)的壓力、速度、能量損失等因素有顯著影響。目前國(guó)內(nèi)外研究者主要針對(duì)消防水炮、大型水泵站、閥口等流道利用數(shù)值模擬方法展開研究，但在對(duì)深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備方面報(bào)道較少。

本研究采用基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)數(shù)值模擬方法分析比較了直角L型流道和圓弧L型流道內(nèi)部流場(chǎng)的變化，研究?jī)煞N流道對(duì)噴嘴流場(chǎng)壓強(qiáng)、速度、湍流動(dòng)能和空化程度的影響，旨在為網(wǎng)衣清洗裝備分流轉(zhuǎn)盤流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 網(wǎng)衣清洗裝備

網(wǎng)衣清洗裝備是利用空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)衣清洗的水動(dòng)力裝置，主要由高壓泵站、噴嘴、分流轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)接頭、高壓密封機(jī)構(gòu)和螺旋槳推進(jìn)器等部分組成。

空化射流網(wǎng)衣清洗裝備實(shí)物圖及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 網(wǎng)衣清洗裝備實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of netting cleaning equipment

圖2 空化射流網(wǎng)衣清洗裝備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cavitation jet netting cleaning equipment

網(wǎng)衣清洗裝備工作原理：高壓泵站形成的高壓流經(jīng)旋轉(zhuǎn)中心軸流入分流轉(zhuǎn)盤流道，高壓流經(jīng)流道末端噴嘴形成高速射流，在噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處形成渦流區(qū)域，渦流中心壓力低于飽和蒸汽壓力時(shí)，流體發(fā)生斷裂形成空化效應(yīng)，高速空化射流空泡持續(xù)破裂形成的破碎力可用于清除網(wǎng)面污損生物。射流反作用力形成對(duì)稱力矩驅(qū)動(dòng)分流轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，形成圓環(huán)形的高速射流軌跡，結(jié)合清洗裝備的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)箱的清洗。螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生的反推力起到了使網(wǎng)衣清洗裝備貼網(wǎng)的作用。

1.1.2 流道幾何結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象為分流轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流道，流道結(jié)構(gòu)分為兩種類型：直角L型流道和圓弧L型流道。直角L型流道彎曲段極角為 90 °，曲率半徑為0 mm；圓弧L型流道曲率半徑為 3 mm。兩種流道長(zhǎng)度均為 177 mm，流道直徑均為 6 mm，流道末端與噴嘴垂直連接，噴嘴孔徑為 1 mm，噴嘴長(zhǎng)度為 3 mm，流道底部至噴嘴出口高度為 16 mm。為簡(jiǎn)化對(duì)L型流道內(nèi)流體流場(chǎng)仿真模擬，作如下說明[17]：(1)將內(nèi)徑作為公稱直徑進(jìn)行模擬產(chǎn)生誤差較小，可忽略不計(jì)，內(nèi)徑近似認(rèn)為公稱直徑；(2)流道在淹沒狀態(tài)下模擬，無氣相和固相介質(zhì)干擾；(3)將流道分為4個(gè)部分，分別為水平段、彎曲段、豎直段、噴嘴。水流從φ6 mm流道入口進(jìn)入水平段，經(jīng)過彎曲段進(jìn)入豎直段，最后從φ1 mm噴嘴射出。定義流道彎曲段上側(cè)為內(nèi)側(cè)，下側(cè)為外側(cè)，如圖3所示。

圖3 圓弧L型流道幾何簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic of Circular-arc L-shaped channel geometry

1.2 研究方法

1.2.1 流體運(yùn)動(dòng)方程

流體運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律以及能量守恒定律。流體流動(dòng)過程中溫度保持在恒溫，熱量傳遞少，可忽略不計(jì)，運(yùn)動(dòng)控制方程如下[18-19]：

(1)

(2)

1.2.2 standardk-ε 湍流模型

standardk-ε模型中輸運(yùn)方程為[20-21]：

(3)

(4)

式中：k和ε是2個(gè)基本未知量，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特(Prandtl)數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

第二個(gè)模型方程是基于現(xiàn)象提出而非推導(dǎo)得到的ε方程：

(5)

ε和K以及湍流長(zhǎng)度尺度相關(guān)：

(6)

結(jié)合K方程,湍動(dòng)黏度可以表示為:

(7)

1.2.3 Mixture模型

在空化過程中，液-氣傳質(zhì)由蒸汽輸送方程控制：

(8)

Li等[22]提出Mixture模型基于兩相連續(xù)方程，包括液相、氣相和混合相的3組守恒方程，方程式如下：

液相：

(9)

氣相：

(10)

混合相：

(11)

混合相密度：

ρ=αρv+(1-α)ρl

(12)

混合相密度與氣相體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系：

(13)

1.2.4 Zwart-Gerber-Belamri空化模型

Zwart-Gerber-Belamri提出利用氣泡密度數(shù)n和單個(gè)氣泡的質(zhì)量變化率計(jì)算單位體積總界面?zhèn)髻|(zhì)率R，方程式如下[23]：

(14)

氣相體積分?jǐn)?shù)(α)與氣泡數(shù)密度(n)和氣泡半徑(RB)的關(guān)系為：

(15)

氣泡動(dòng)力學(xué)方程表述為[22]：

(16)

(17)

氣泡的增長(zhǎng)過程(蒸發(fā))方程如下：

(18)

空化模型的最終形式為[24]：

(19)

(20)

式中：F為經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)系數(shù)；α為蒸氣體積分?jǐn)?shù)；αnuc為成核部位體積分?jǐn)?shù)，5×10-4；Fvap為蒸發(fā)系數(shù)，50；Fcond為冷凝系數(shù)，0.001；Re表示蒸氣發(fā)生源項(xiàng)；Rc表示冷凝速率源項(xiàng)；RB表示氣泡半徑，10-6m；PB表示氣泡壓強(qiáng)；Pv表示飽和蒸氣壓；ρv表示氣體密度。

1.3 數(shù)值求解

1.3.1 模型建立

分流轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流道直徑較小，可忽略重力的影響，為方便計(jì)算，取二維模型作為研究對(duì)象。使用ANASYS Fluent中DM模塊對(duì)流道進(jìn)行建模，在Mesh模塊中對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，對(duì)流道與噴嘴連接處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理，直角L型流道和圓弧L型流道網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分如圖4a、圖4b所示。

圖4 兩種流道網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Two kinds of channels meshing diagrams

水力模型邊界條件設(shè)置，求解工具采用Fluent求解器，采用standardk-ε模型模擬。入口、出口邊界條件設(shè)置為壓力邊界，液體密度ρ=998.2 kg/m3，液體運(yùn)動(dòng)黏度v=0.001 003 m2/s，入口壓力Pin=15 MPa，出口壓力Pout=0.098 MPa，湍流強(qiáng)度5%，入口水力直徑D=6 mm，出口水力直徑D=1 mm。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下離散格式選擇Second Order Upwind，壓力差值格式選擇Second Order。速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的解耦采用SIMPLE算法，使用Hybird Initialization進(jìn)行初始化，求解計(jì)算。

空化模型邊界條件設(shè)置，求解工具采用Fluent求解器，采用Mixture混合相模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型模擬。液體邊界條件設(shè)置同上，氣體密度ρ=0.025 58 kg/m3，氣體動(dòng)力黏度v=1.26×10-6Pa·s，環(huán)境壓力PV=3.54 MPa，飽和蒸氣壓P=3.54 kPa。湍流強(qiáng)度5%，湍流黏度率10%。離散格式選擇Second Order Upwind，壓力差值格式選擇Second Order。速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的解耦采用SIMPLE算法，使用Hybird Initialization進(jìn)行初始化，求解計(jì)算。

1.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性和時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證

取圓弧L型流道噴嘴截面y軸速度分布進(jìn)行驗(yàn)證。在圖4的計(jì)算域中，監(jiān)測(cè)y軸向速度變化。以流速作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，根據(jù)設(shè)置不同的網(wǎng)格單元尺寸、分度數(shù)等參數(shù)，設(shè)計(jì)4套網(wǎng)格方案，如表1所示，網(wǎng)格總數(shù)范圍4 000～14 000，設(shè)置相同的計(jì)算模型與邊界條件，結(jié)果如圖5所示。

表1 網(wǎng)格計(jì)算方案Tab.1 Grid computation solution

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果圖Fig.5 Result graph of grid independence verification

圖5可知，方案1計(jì)算值的速度變化率稍低于其他3個(gè)方案計(jì)算值的速度變化率，方案2、方案3和方案4速度變化曲線基本重疊，速度變化率最大偏差小于0.59%。說明方案2、方案3和方案4網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果近似達(dá)到穩(wěn)定，綜合考慮計(jì)算周期與計(jì)算精度，選擇網(wǎng)格劃分方案3[25]。直角L型流道網(wǎng)格劃分同樣采用此方法。

對(duì)于確定的網(wǎng)格方案，為滿足計(jì)算域有足夠的時(shí)間步長(zhǎng)以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)采取不同的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，并保證在時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算次數(shù)必須迭代至收斂。時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)定為150、500、1 000、3 000。以y軸線速度為監(jiān)測(cè)對(duì)象，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)大于500時(shí)，速度曲線基本重疊，可近似認(rèn)為時(shí)間步長(zhǎng)大于500對(duì)計(jì)算結(jié)果精確度無影響[26]。故設(shè)置計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 000，收斂殘差為10-6。

2 結(jié)果

2.1 流道和噴嘴的流速分布特性

圖6a和圖6b為直角L型流道和圓弧L型流道流場(chǎng)速度輪廓云圖。直角L型流道內(nèi)側(cè)流場(chǎng)速度大，流場(chǎng)壓力??；外側(cè)流場(chǎng)速度小，流場(chǎng)壓力大。豎直段左側(cè)近壁面區(qū)域流場(chǎng)速度小，右側(cè)流場(chǎng)速度大。噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)速度急劇增大，速度最大值在噴嘴中心軸線區(qū)域，速度由噴嘴中心軸線向兩側(cè)近壁面逐漸減小[27]。圓弧L型流道內(nèi)側(cè)流場(chǎng)速度大，流場(chǎng)壓力??；外側(cè)流場(chǎng)速度小，流場(chǎng)壓力大。噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)速度急劇增大且呈梯度狀分布，速度最大處位于噴嘴中心軸向區(qū)域，速度由噴嘴中心軸線向兩側(cè)近壁面逐漸減小。

圖6 直角L型和圓弧L型流道流場(chǎng)速度輪廓云圖Fig.6 Flow field velocity contour cloud images of right-angle L-shaped channel and Circular-arc L-shaped channel

圖7是流道噴嘴截面速度分布圖。兩種流道噴嘴流場(chǎng)速度均先增大后趨于穩(wěn)定。直角L型流道速度在y=13 mm達(dá)到最大值，速度最大值為156 m/s。圓弧L型流道速度在y=13.7 mm達(dá)到最大值為 178 m/s。噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處(y=13 mm)之后，圓弧L型流道流場(chǎng)速度值明顯大于直角L型流道流場(chǎng)。

圖7 兩種流道噴嘴截面速度分布Fig.7 Velocity distribution of nozzle sections of two flow channels

圖8a和圖8b是兩種流道流線圖。直角L型流道流線在彎曲段內(nèi)、外兩側(cè)形成兩處旋渦，內(nèi)側(cè)旋渦尺寸明顯大于外側(cè)，噴嘴內(nèi)部流線分布較為密集。圓弧L型流道流線僅僅在彎曲段外側(cè)出現(xiàn)一處旋渦，流線在噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)作用下收縮成一股集中的流線束。

圖8 直角L型和圓弧L型流道流線圖Fig.8 Motion pattern of right-angle L-shaped channel and Circular-arc L-shaped channel

2.2 流道和噴嘴的流場(chǎng)壓力分布特性

圖9為兩種流道噴嘴截面壓力分布圖。

圖9 兩種流道噴嘴截面壓力分布Fig.9 Pressure distribution of nozzle sections of two flow channels

兩種流道噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處，流場(chǎng)壓力大幅度減小，噴嘴入口處形成了較大的壓降。直角L型流道流場(chǎng)壓力在y=13.6 mm處降低到最小值-1.95 MPa，壓差為 16.95 MPa。圓弧L型流道流場(chǎng)壓力在y=13.1 mm處下降至最低值-4.65 MPa，壓差為 19.65 MPa。圓弧L型流道流場(chǎng)壓力變化幅度大于直角L型流道流場(chǎng)。

2.3 流道和噴嘴的流場(chǎng)湍流動(dòng)能分布特性

圖10a和圖10b為兩種流道湍流動(dòng)能輪廓云圖。直角L型流道噴嘴入口處流場(chǎng)湍流動(dòng)能沿噴嘴中心軸線方向呈左右兩側(cè)較均勻分布。圓弧L型流道噴嘴入口處流場(chǎng)湍流動(dòng)能沿噴嘴中心軸線方向呈左側(cè)小，右側(cè)大分布。兩種流道噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，渦流區(qū)是高速射流與環(huán)境流體的強(qiáng)剪切作用下形成的，渦流區(qū)中心壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他流動(dòng)區(qū)域的壓力，當(dāng)中心壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)，液體內(nèi)部產(chǎn)生大量空泡[28]。

圖10 兩種流道流場(chǎng)湍流動(dòng)能輪廓云圖Fig.10 Flow field turbulent kinetic energy contour cloud images of two kinds of channels

圖11為兩種流道湍流動(dòng)能和湍流強(qiáng)度分布圖。在y=12 mm前，兩種流道流場(chǎng)湍流動(dòng)能未發(fā)生變化。該點(diǎn)之后，兩種流道流場(chǎng)湍流動(dòng)能發(fā)生劇烈變化。直角L型流道噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)湍流動(dòng)能變化范圍為875.662～1 331.24 m2/s2。圓弧L型流道噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)湍流動(dòng)能變化范圍為 519.274～812.017 m2/s2。兩種流道流場(chǎng)湍流強(qiáng)度變化趨勢(shì)同湍流動(dòng)能類似，在y=12 mm前，兩種流道流場(chǎng)湍流強(qiáng)度值均低于5%，該點(diǎn)之后，兩種流道湍流強(qiáng)度急劇上升，直角L型流道流場(chǎng)湍流強(qiáng)度最大值達(dá)29%，圓弧L型流道流場(chǎng)湍流強(qiáng)度最大值達(dá)23%。

圖11 兩種流道y軸向近壁面湍流動(dòng)能和湍流強(qiáng)度分布Fig.11 y-axis turbulent kinetic energy and turbulence intensity distribution near wall surface of two kinds of channels

2.4 噴嘴空化特性

兩種流道氣相體積分?jǐn)?shù)輪廓云圖如圖12a和圖12b所示。兩種流道噴嘴內(nèi)部均發(fā)生了空化現(xiàn)象，空化面積由噴嘴入口沿壁面延伸至噴嘴出口。直角L型流道噴嘴截面中心軸線右側(cè)壁面出現(xiàn)空化區(qū)域，空化強(qiáng)度由軸線向近壁面逐漸增大。圓弧L型流道噴嘴截面中心軸線左右兩側(cè)均出現(xiàn)空化區(qū)域，空化強(qiáng)度由軸線向近壁面方向迅速增大。圓弧L型流道噴嘴的空化區(qū)域面積大于直角L型流道。

圖12 兩種流道流場(chǎng)氣相體積分?jǐn)?shù)輪廓云圖Fig.12 Flow field vapor volume fraction contour cloud images of two kinds of channels

圖13為兩種流道氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖。兩種流道在y=13 mm前氣相體積分?jǐn)?shù)為0，在該點(diǎn)之后，氣相體積分?jǐn)?shù)不斷增大。說明空化效應(yīng)出現(xiàn)在噴嘴入口處，并不斷向噴嘴內(nèi)部延伸至出口。直角L型流道壁面氣相體積分?jǐn)?shù)最大值達(dá)到0.29；圓弧L型流道壁面氣相體積分?jǐn)?shù)最大值達(dá)到0.53。直角L型流道最大氣相體積分?jǐn)?shù)占比圓弧L型流道最大氣相體積分?jǐn)?shù)約為45.3%。

圖13 兩種流道y軸向近壁面氣相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.13 y-axis vapor volume fraction distribution near wall surface of two kinds of channels

3 討論

3.1 流道結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴流速影響分析

流體流經(jīng)直角L型流道彎曲段，因受離心力和慣性力作用，出現(xiàn)流動(dòng)的分離和再附現(xiàn)象，形成兩處旋渦區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生二次流現(xiàn)象，二次流和主流運(yùn)動(dòng)方向正交，使流體質(zhì)點(diǎn)做螺旋運(yùn)動(dòng)，從而引起壓力降和局部水頭損失，降低了能量的轉(zhuǎn)換效率，動(dòng)能減少，與馬金英[29]關(guān)于彎管中流道流場(chǎng)的數(shù)值分析結(jié)果相印證。圓弧L型流道彎曲段相對(duì)直角L型流道較為平緩，流線分布均勻，僅在流道彎曲段外側(cè)出現(xiàn)一處小范圍旋渦，表明圓弧L型流道流場(chǎng)較直角L型流道局部水頭損失少，轉(zhuǎn)換動(dòng)能多。圓弧L型流道噴嘴出口形成射流速度較高，產(chǎn)生的射流打擊力強(qiáng)度較高。

3.2 流道結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴壓力影響分析

流場(chǎng)壓力在流道噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處迅速減小，壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度不斷增大。噴嘴空化強(qiáng)度與壓降因素有關(guān)，壓降越大，空化率越高[30]。當(dāng)壓力值下降至低于環(huán)境飽和蒸氣壓時(shí)，液體斷裂產(chǎn)生大量氣核，氣核在液體中膨脹成空泡，大量空泡不斷聚集形成空泡群。當(dāng)外界壓力增大，空泡在外界壓力作用下產(chǎn)生潰滅機(jī)制，空泡群大量潰滅形成巨大的沖擊能量。圓弧L型流道比直角L型流道流場(chǎng)壓力下降幅度較大，形成了較大的壓差，為噴嘴產(chǎn)生空化提供了有利的條件。

3.3 流道結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴湍流動(dòng)能影響分析

兩種流道噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)處，因阻流截面造成流體運(yùn)動(dòng)方向改變，形成渦流區(qū)。由于在渦流區(qū)域內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)渦旋運(yùn)動(dòng)消耗能量，渦旋運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)不斷向下游移動(dòng)，在一定范圍內(nèi)加劇了下游流體的湍流強(qiáng)度，使得流場(chǎng)的湍流動(dòng)能和湍流強(qiáng)度迅速增大[31]。高速射流在強(qiáng)紊流環(huán)境下受到強(qiáng)剪切作用和附壁效應(yīng)，液體內(nèi)部發(fā)生斷裂產(chǎn)生空泡[32]。圓弧L型流道流場(chǎng)比直角L型流道流場(chǎng)湍流動(dòng)能減少 39%～40.7%，湍流強(qiáng)度減少20.7%，說明圓弧L型流道噴嘴流場(chǎng)紊流脈動(dòng)幅度比直角L型流道噴嘴流場(chǎng)紊流脈動(dòng)幅度小，造成的能量損失少[33]。

3.4 流道結(jié)構(gòu)對(duì)噴嘴空化特性影響分析

液體在恒定溫度下，當(dāng)壓力逐漸減小到飽和蒸氣壓以下時(shí)，液體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量空泡，通過降低壓力使液體破裂形成空泡的過程稱為空化現(xiàn)象。液體中還含有不溶解的氣核或微氣泡，在壓力降低的情況下，可能會(huì)生長(zhǎng)并形成空腔，在低壓空化區(qū)域會(huì)發(fā)生非常劇烈的密度變化[34-35]?？栈F(xiàn)象發(fā)生在流道噴嘴近壁面區(qū)域，噴嘴縮頸結(jié)構(gòu)致使流體發(fā)生擾動(dòng)，流體速度不斷增大，壓力不斷減小，當(dāng)局部流體壓力Pi小于該環(huán)境下流體的飽和蒸汽壓Pv時(shí),液體內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，氣泡受到高壓后潰滅，形成瞬時(shí)高溫高壓的強(qiáng)烈沖擊力作用在附著物表面，使附著物脫離網(wǎng)衣[36]。直角L型流道噴嘴近壁面僅右側(cè)發(fā)生空化效應(yīng)；圓弧L型流道噴嘴近壁面左右兩側(cè)均發(fā)生空化效應(yīng)，說明高壓流體在圓弧L型流道噴嘴內(nèi)部可產(chǎn)生完整的空化環(huán)，空泡迅速向外擴(kuò)散形成環(huán)狀空化群。圓弧L型流道噴嘴空化區(qū)域面積和氣相體積分?jǐn)?shù)更大，表明圓弧L型流道噴嘴空化程度更高。圓弧L型流道彎曲段平緩，噴嘴流速高，壓差變化大，空化程度高，產(chǎn)生了更強(qiáng)的射流打擊力，可提高網(wǎng)衣清洗效率，因此圓弧L型流道作為空化射流網(wǎng)衣清洗裝備的流道結(jié)構(gòu)，更符合實(shí)際清洗工作需求。

4 結(jié)論

采用流體分析軟件仿真模擬了直角L型和圓弧L型流道下噴嘴的流場(chǎng)分布，分析了兩種流道對(duì)噴嘴流體壓強(qiáng)分布、速度分布、湍流動(dòng)能及空化程度的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了圓弧L型流道為分流轉(zhuǎn)盤流道優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)衣清洗裝備實(shí)際加工提供參考。流體在直角L型流道形成兩處旋渦，在噴嘴出口處達(dá)到最大速度156 m/s；流體在圓弧L型流道形成一處旋渦，在噴嘴出口處達(dá)到最大速度178 m/s。直角L型流道流場(chǎng)壓降為16.95 MPa；圓弧L型流道流場(chǎng)壓降為19.65 MPa。圓弧L型流道流場(chǎng)比直角L型流道流場(chǎng)湍流動(dòng)能減少 39%～40.7%，湍流強(qiáng)度減少 20.7%。兩種流道結(jié)構(gòu)下的噴嘴均不同程度地發(fā)生了空化，直角L型流道最大氣相體積分?jǐn)?shù)占比圓弧L型流道最大氣相體積分?jǐn)?shù)約45.3%，圓弧L型流道結(jié)構(gòu)噴嘴的空化區(qū)域遠(yuǎn)大于直角L型流道結(jié)構(gòu)噴嘴。相比直角L型流道，圓弧L型流道噴嘴射流速度更大、能量損失更少、空化程度更高，有利于提升網(wǎng)衣清洗裝備的清洗效率，圓弧L型流道更適用于作為網(wǎng)衣清洗裝備分流轉(zhuǎn)盤內(nèi)部流道優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

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