網衣清洗空化射流噴嘴仿真試驗

葛安亮，李延龍，王新寶，江文亮，李相坤

(1 中國海洋大學工程訓練中心，山東青島 266100；2 青島森科特智能儀器有限公司，山東青島 266071)

養(yǎng)殖網箱是海洋養(yǎng)殖業(yè)的主要設備，網箱長期浸泡在海水中會有大量的海洋附著物，導致網衣的網孔堵塞，阻礙水體交換，影響?zhàn)B殖魚類質量，還會增加網箱的阻力，嚴重影響網箱的安全性能和使用壽命，因此，網衣附著物清理就變得尤為重要[1]。高壓水射流清洗技術憑借其高效節(jié)能、綠色環(huán)保、適用范圍廣等優(yōu)點被廣泛應用在網衣附著物清洗領域[2-3]。

高壓水射流清洗技術[4]是利用增壓設備將水加壓，通過噴嘴孔形成具有較高能量的射流，結合空泡破裂時產生的強大沖擊力來實現(xiàn)清洗的目的[5-6]。目前國內外學者更多的關注射流自身帶來的沖擊力，運用試驗和仿真的方法對其進行研究。試驗研究方面，Li等[7]和Dan等[8]對射流噴嘴的結構進行優(yōu)化設計，通過試驗驗證其沖擊性能的增強。Li等[9]研究了噴嘴內壁粗糙度對射流沖蝕性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)在不同的進口壓力下，最強沖蝕性能所對應的噴嘴內壁粗糙度也不同。為了研究空化射流的流動特性和空化的沖擊作用機制，Peng等[10]和Sato等[11]對噴嘴內部及出口處的空泡進行了高速攝像，分析了空泡的脫落頻率信號。Watanabe等[12]和Fujisawa等[13]同樣運用高速攝影技術，研究分析出了空泡的潰滅位置和潰滅時產生沖擊波的形態(tài)。隨著CFD技術的應用，試驗無法獲取的參數(shù)便可通過數(shù)值模擬得到，目前CFD手段已經可以得到較為準確的射流流場速度和壓力[14-19]。但是由于空化射流現(xiàn)象的復雜性，計算模型的準確性還需進一步完善，主要解決模型中的傳質、湍流和壓縮性問題[20]。Hsiao等[21]采用歐拉-拉格朗日法對空泡流場進行計算，在拉格朗日坐標中對氣泡進行位置追蹤。Miltner等[22]采用多種RANS模型對流場進行計算，發(fā)現(xiàn)了標準的k-ε模型的預測能力最強。Bilus等[23]運用氣液狀態(tài)方程對空泡流的壓縮性進行修正，采用修正后的模型對空泡流進行計算，捕捉了空泡潰滅時的瞬時壓力沖擊。雷傳超等[24]設計了一種新型人工淹沒水射流噴嘴，利用Fluent軟件對噴嘴內部流場進行了數(shù)值模擬，并對噴嘴的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，使其射流的空化效果更佳。

綜上所述，空化射流在網箱清洗領域具有廣泛的應用，而射流噴嘴是射流清洗裝置的核心部件，深入研究探索空化射流機理和噴嘴結構的設計優(yōu)化，使空化射流效果更佳，提高網衣清洗效率就變得尤為重要。因此，本研究根據(jù)剪切型空化機理設計角型噴嘴，通過數(shù)值仿真與水槽試驗對其空化機理與沖蝕性能進行研究，為其在網衣清洗領域的設計應用提供參考。

1 理論基礎

1.1 空化機理

根據(jù)空化產生的機理不同，可分為繞流型、剪切型和自激振蕩型空化[25]。剪切型空化射流更易實現(xiàn)，其噴嘴加工容易且使用壽命長，更具工業(yè)應用價值。剪切型空化射流的形成機理如圖1所示[26]。當流體流經噴嘴時，喉管腔直徑的驟然減小，根據(jù)出口截面內外兩點的伯努利連續(xù)方程可知：

(1)

圖1 剪切型空化示意圖

出口處形成高壓射流，高速射流與擴散段內靜止伴隨流之間存在剪切作用，由于水的黏性力和反向壓差作用，在噴嘴擴散段兩側產生漩渦。漩渦隨射流移動的同時伴隨著高速轉動，使渦心處的壓力低于飽和蒸氣壓，水發(fā)生氣化及水中氣體析出，形成氣泡[27]。通常，采用空化數(shù)判斷空化強度，其定義為：

(2)

式中：ρ為液體密度，P∞、μ∞分別為未被擾動的參考處流體的靜壓和速度，Pv是飽和蒸汽壓。

1.2 噴嘴結構

綜合海洋牧場工作條件以及國內外網箱清洗所采用的工況，本研究的噴嘴工作壓力為15 MPa，流量為26 L/min[28]。若根據(jù)流量流速關系：

(3)

式中：Q表示流量，L/min；d表示噴嘴喉管直徑，mm；v表示流速，m/s；n表示噴嘴數(shù)量。

計算得到噴嘴喉管直徑。但由于阻尼作用，噴嘴孔內的流速為非均勻分布，將噴嘴視為薄壁小孔，考慮到噴射效率，則流量與直徑的關系式修正為：

(4)

圖2 角型噴嘴

噴嘴的射流速度計算公式為：

(5)

即，噴嘴的射流速度只與壓力有關，在預設的工作壓力15 MPa下，噴嘴射流速度為vT=173 m/s。

2 方法

2.1 數(shù)值仿真

淹沒型空化水射流的流場復雜，數(shù)值仿真是探究噴嘴的流場分布和空化特性的有效方法。本研究通過Ansys Workbench軟件建立噴嘴和流場的二維網格模型，計算流場域及邊界條件如圖3所示。

圖3 有限元模型及邊界條件

仿真參數(shù)基本設置為：湍流模型選擇Transition-SST SBES模型，空化模型選擇Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)，多相流模型選擇Mixture，飽和蒸汽壓設置為3 540 Pa[32-33]。經網格無關性驗證，網格數(shù)量為80 000。

2.2 水槽試驗

試驗裝置與試驗系統(tǒng)簡圖如圖4所示。

圖4 試驗裝置與試驗系統(tǒng)簡圖

水槽試驗主要是獲取噴嘴的沖蝕性能，試驗在中國海洋大學工程訓練中心開展，試驗裝置主要由變頻電機、XLT3325型柱塞泵、射流管路、噴嘴、步進電機、鋁質靶塊等組成。

所選用的柱塞泵最大工作壓力為30 MPa，采用過濾器對流體介質進行過濾處理，試驗水溫25℃左右。柱塞泵通過變頻電機來改變轉速，從而調節(jié)流量。為了節(jié)省更換試驗工裝的時間，本試驗設計了一種運用步進電機控制的自動旋轉結構，當一個鋁質靶塊沖擊完成之后，通過控制步進電機，將另外一個鋁質靶塊旋轉至目標位置進行沖擊。為了實現(xiàn)不同的靶距，本試驗是將噴嘴固定，將鋁質靶塊布置在不同高度的支撐塊上。

3 結果與分析

3.1 仿真結果分析

噴嘴射流的速度分布如圖5所示。

圖5 噴嘴流場的軸向速度分布

在噴嘴內部，隨著管徑的快速收縮，水流流速成非線性急速增加。在噴嘴出口處的速度為172.3 m/s，與公式(5)理論計算的結果一致，差異低于0.5%。當射流離開噴嘴后，由于噴嘴處于淹沒狀態(tài)，在液體黏性阻力的作用下，射流軸向速度隨著距離的增加快速衰減，且射流流速下降過程中同時成錐形擴散。

射流中空化泡的形成發(fā)展對其沖擊力有顯著影響?？栈菰谏淞髦谐手芷谛宰兓?，在一個周期內經歷空化初生、發(fā)展、脫落與潰滅4個階段[34]。由于噴嘴喉管處的直徑最小，射流速度在喉管處速度最大。射流流速從噴嘴擴散段開始下降，但其擴散段與壁面干涉，壁面邊界層存在強烈的剪切作用，產生卷吸形成附著渦，漩渦渦心處的壓力較低，當壓力低于飽和蒸氣壓時產生空化泡，本研究中空化泡僅形成在噴嘴的擴散段，這與雷傳超等[35]的研究結果一致。在噴嘴出口附近，空化泡處于發(fā)展階段，連續(xù)的空化泡在射流中形成空化云，而在噴嘴下游，空化云處于潰滅階段。

圖6 噴嘴流場氣相分布

圖6是該工況下噴嘴氣相體積分布。t=0.000 5 s時刻，在噴嘴的擴散段內存在明顯的空化區(qū)域，隨著時間以及射流移動，空化區(qū)域的面積不斷增加，但其空化程度下降。t=0.01 s時刻，雖然空化區(qū)域的面積較大，但由于空化強度和射流速度的降低，空化射流的沖擊力下降。

3.2 結果分析

空泡潰滅所產生的沖擊波可顯著提高空化射流的沖擊性能。空泡的形成-發(fā)展-潰滅的時間極短，隨射流的運動距離很短，而空泡潰滅后產生的沖擊波在介質中衰減極快，影響距離有限。因此，當空化射流應用于網箱清洗時，噴嘴與網衣的距離顯著影響空化射流的清洗效果。因此，對空化噴嘴的沖擊性能進行試驗研究，試驗中噴嘴的實際壓力為15 MPa，流量為22.3 L/min，結果如圖7所示。

圖7 不同靶距下沖擊Al6061所產生的質量損失

空化射流的沖擊力是高速射流沖擊力與空化泡破裂時沖擊力綜合作用的結果。射流離開噴嘴后流速不斷下降，故其沖擊力也不斷下降。但空化泡離開噴嘴后經歷發(fā)展-潰滅階段，其破裂時產生的沖擊力呈先增加后降低的趨勢，故空化射流的沖擊力隨射流距離呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當靶距較小時，空化泡不能完全發(fā)展，空化射流對靶件的沖蝕主要來自高速水流的沖擊力。當靶距過大時，空化泡在到達靶件表面時，已有部分空化泡發(fā)生潰滅，且射流在液體中流速快速衰減，空化射流的沖擊力減弱。因此，圖7中射流對靶件的沖蝕質量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。李偉等[34]基于高速攝影技術對縮放型噴嘴空化射流空泡云的演化規(guī)律進行了試驗研究，試驗壓力設置為16 MPa時，通過試驗發(fā)現(xiàn)在靶距為50 mm時空化云的密度與面積達到最佳。本研究的試驗壓力為15 MPa，在入射角90°時最佳靶距在60 mm附近，而入射角60°時最佳靶距在約為50 mm，這與李偉等[34]的研究結果基本一致。

不同靶距下空化射流的沖擊結果如圖8所示。在小靶距下，空化云的面積較小，在高速射流的沖擊下，靶件中心區(qū)域產生顯著但直徑較小的凹坑。隨著靶距的增加，空化云的密度與面積增加，中心位置處的沖蝕逐漸減弱，外圍空化泡沖蝕的范圍與顯著程度增加。靶距為60 mm時，空化云的密度與面積較大，空化射流的沖蝕形貌為圓環(huán)狀，這與楊勇飛[36]的結果一致。射流垂直沖擊靶件時，射流接觸靶件表面后形成反射，降低了射流的沖擊力，圖8表明入射角為60°時射流沖蝕性能明顯高于入射角為90°的沖蝕性能。

圖8 不同靶距下沖擊后靶件表面形貌

4 結論

本研究通過數(shù)值仿真與水槽試驗研究了剪切型空化噴嘴的空化與沖蝕性能，結果顯示，空化射流的沖擊力是高速水射流和空化泡綜合作用的結果?？栈菰趪娮斓臄U散段形成后在射流中快速發(fā)展，空化區(qū)域的面積顯著增加，但由于射流離開噴嘴后速度快速下降，使得空化射流的沖蝕性能隨著距離的增加先增加后降低。高壓射流以核心區(qū)域小面積沖蝕為主，而空化射流呈現(xiàn)面積較大的環(huán)形沖蝕面，且其打擊靶距更遠，考慮到網箱網衣的彈性以及附著物以軟物質為主，空化射流噴嘴更適合海洋牧場網箱清洗。

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