新型串聯(lián)組合噴嘴空化射流數(shù)值模擬

王佳勝，袁躍峰，謝 飛

浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院 浙江舟山 316022

水 射流破煤是采煤工作中常用的一種方法，因其高效、綠色、成本低以及便捷的特性得到廣泛關(guān)注并快速發(fā)展起來(lái)?？栈淞魇窃谒淞骷夹g(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型水射流技術(shù)?？栈淞髟趪娚溥^(guò)程中能形成大量空泡，當(dāng)這些空泡破滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬間的高壓和高溫，形成劇烈的沖擊波和微射流，這種能量能顯著提高射流的沖擊力，有利于巖石的破碎。由于空化水射流能展現(xiàn)出較為良好的沖擊效果，在煤礦開(kāi)采及材料切割等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

19 世紀(jì)末，Parsons 等人在調(diào)查分析艦艇和輪船的螺旋槳受到腐蝕破壞的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)了空泡的影響，第一次提出了“空化”的概念[1]。之后隨著對(duì)空化研究的不斷深入，研究人員們發(fā)現(xiàn)空化具有無(wú)污染、低耗能、高效的特質(zhì)，可以在射流技術(shù)中得到良好的應(yīng)用。Hutli 等人通過(guò)淹沒(méi)空化射流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)空化侵蝕過(guò)程與材料性能、暴露時(shí)間以及流體溫度等有緊密關(guān)系[2]。Watanabe 等人采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察、侵蝕特性測(cè)量和同步影像成像，結(jié)合加速度脈沖測(cè)量對(duì)空化射流的云結(jié)構(gòu)變化和侵蝕特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，空化泡在試樣表面附近的潰滅與空化射流在試樣表面的侵蝕分布有關(guān)[3]。在國(guó)內(nèi)，李根生等人用硬質(zhì)合金為主要材料研制出了石油鉆井用自振空化射流噴嘴，并通過(guò)試驗(yàn)表明，自振空化噴嘴鉆頭相比于普通中長(zhǎng)噴嘴鉆頭的鉆井速度提高了 10.5%～ 49.3%[4]。孫軍等人通過(guò)對(duì)風(fēng)琴管噴嘴出口段的粗糙管道流場(chǎng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)凸起的存在顯著影響了近壁面流場(chǎng)壓力，空泡演變初期，凸起高度和寬度的增加提高了空泡生長(zhǎng)速率，隨時(shí)間延長(zhǎng)，凸起的尺寸增加加速了空泡的破滅[5]。在仿真研究上，劉伯軒等人采用 CFD 軟件對(duì)新型復(fù)合噴嘴進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合噴嘴在非淹沒(méi)條件下具有良好的空化效果[6]。

目前，空化水射流現(xiàn)象主要通過(guò)特定的噴嘴結(jié)構(gòu)誘發(fā)空化這一方式發(fā)生，因此噴嘴是影響空化現(xiàn)象的關(guān)鍵部件。研究人員對(duì)空化射流噴嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，噴嘴結(jié)構(gòu)有自激震蕩型噴嘴[7]以及繞流型噴嘴[8]，這 2 種結(jié)構(gòu)均存在空化強(qiáng)度有限以及空泡含量均勻性較差等問(wèn)題。筆者結(jié)合自激震蕩型噴嘴以及繞流型噴嘴的結(jié)構(gòu)原理，提出了一種新型的串聯(lián)組合噴嘴，并采用 Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，探究該串聯(lián)組合噴嘴的射流空化性能，為空化噴嘴的設(shè)計(jì)以及研究提供了借鑒。

1 機(jī)理分析及物理模型

1.1 機(jī)理分析

基于風(fēng)琴管噴嘴，在噴嘴出口端串聯(lián)一個(gè)中心體空化器，形成新的串聯(lián)組合噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。當(dāng)穩(wěn)定流體進(jìn)入噴嘴，諧振腔處的收縮面使流體產(chǎn)生初始?jí)毫?dòng)，并將壓力激動(dòng)反饋回諧振腔，形成反饋壓力振蕩。當(dāng)壓力激動(dòng)的頻率與風(fēng)琴管諧振腔的固有頻率相匹配時(shí)，反饋的壓力震蕩在諧振腔處得到放大，從而引發(fā)流體共振，促使射流剪切層渦流變成大結(jié)構(gòu)分離環(huán)狀渦流，這種大結(jié)構(gòu)分離環(huán)狀渦流使流體的空化程度得到增強(qiáng)[9]。經(jīng)過(guò)初步空化增強(qiáng)后的流體繞過(guò)中心體后，在尾部區(qū)域產(chǎn)生低壓漩渦區(qū)，促使流體空化強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，最終產(chǎn)生較為明顯的空化射流效果。

1.2 幾何模型

串聯(lián)組合噴嘴幾何模型如圖 2 所示。該噴嘴主要由入口腔、諧振腔和中心體腔 3 部分組成。

圖2 串聯(lián)組合噴嘴幾何模型Fig.2 Geometrical model of series combined nozzle

在穩(wěn)定流動(dòng)的理想流體中，噴嘴入口截面及出口截面之間的物理關(guān)系可由伯努利方程定義[10]，

式中：p1、p2為噴嘴進(jìn)、出口壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v1、v2為噴嘴進(jìn)、出口平均流速，m/s。

射流的空化程度可以由空化數(shù)σ來(lái)定義，

式中：p∞為環(huán)境壓力，Pa；pv為流體飽和蒸汽壓，Pa；v為流體速度，m/s。

2 計(jì)算模型及邊界條件

2.1 計(jì)算模型

采用 ICEM 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖 3 所示。由于模型具有對(duì)稱性，為了減小計(jì)算量，提高收斂速度，選用噴嘴截面的一半進(jìn)行計(jì)算。

圖3 噴嘴網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of nozzle model

由于流體流動(dòng)狀態(tài)主要為湍流流動(dòng)，選用 RNGk-ε模型。該模型考慮了渦流對(duì)湍流的影響，提高了漩渦流動(dòng)的精度。該模型的輸運(yùn)方程如下：

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；α k、αε分別為k和ε有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)項(xiàng)；Sk、Sε為自定義源項(xiàng)。

多相流模型選用 mixture 模型，該模型考慮了界面?zhèn)鬟f特性及兩相間的擴(kuò)散和脈動(dòng)作用[11]，對(duì)于氣液混合流場(chǎng)有較高的準(zhǔn)確性和較快的計(jì)算速度；空化模型采用 Schnerr and Sauer 模型，該模型在壓力系數(shù)計(jì)算方面更有優(yōu)勢(shì)，且計(jì)算更容易收斂。

2.2 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域中流體第 1 相設(shè)置為液態(tài)水，第 2 項(xiàng)設(shè)置為水蒸氣，液態(tài)水的初始體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為 1；入口條件設(shè)置為壓力入口，壓力值為 30 MPa；出口條件設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；水的飽和蒸氣壓設(shè)置為 3 540 Pa；工件壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。設(shè)置完成后進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行模擬計(jì)算。

3 結(jié)果分析

原風(fēng)琴管噴嘴和串聯(lián)組合噴嘴的空泡體積分?jǐn)?shù)分布以及湍流動(dòng)能分布如圖 4、5 所示。由圖 4 可以看出，風(fēng)琴管噴嘴產(chǎn)生的射流空化強(qiáng)度較低并且均勻性較差，空化現(xiàn)象主要發(fā)生在擴(kuò)張段壁面附近，并向外流場(chǎng)及中心軸線方向擴(kuò)散。這是因?yàn)轱L(fēng)琴管噴嘴的擴(kuò)散段加強(qiáng)了射流與外部液體的剪切作用，該區(qū)域更容易形成漩渦，導(dǎo)致空化更容易在擴(kuò)散段孔壁附件發(fā)生。由圖 5 可以看出，漩渦使射流的湍動(dòng)能在出口兩端得到提升，但是在風(fēng)琴管噴嘴中心軸線處的湍動(dòng)能較低，這說(shuō)明風(fēng)琴管噴嘴中心的射流較為平穩(wěn)，難以觸發(fā)空化初生，這也解釋了圖 4 中風(fēng)琴管噴嘴射流的空泡含量集中在軸線兩側(cè)，中心軸線處較低的原因。而相比于風(fēng)琴管，串聯(lián)組合噴嘴產(chǎn)生了空泡含量較高并且空泡均勻性較好的空化射流。這是因?yàn)榱黧w繞過(guò)中心體末端后形成了低壓漩渦，當(dāng)漩渦中心的壓力低于水的飽和大氣壓時(shí)，就有利于該區(qū)域空泡的初生，從而使射流在中心軸線處的空泡含量得到較大提升，并且在整體上提升了射流的空化強(qiáng)度，最終形成劇烈而穩(wěn)定的空化射流現(xiàn)象。

圖4 2 種噴嘴的空泡體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Cavitation volume fraction of two kinds of nozzle

圖5 2 種噴嘴的湍流動(dòng)能Fig.5 Turbulent kinetic energy of two kinds of nozzle

2 種噴嘴的空泡體積分?jǐn)?shù)分布如圖 6 所示。由圖6(a) 可以看出，由于中心體的強(qiáng)化作用，串聯(lián)組合噴嘴在軸線的最高空泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了 0.99，相對(duì)于原風(fēng)琴管噴嘴，提高了 30% 左右。對(duì)比 2 種噴嘴，串聯(lián)組合噴嘴在外流場(chǎng)軸線處的空化強(qiáng)度要明顯高于風(fēng)琴管噴嘴。

由圖 6(b) 可以看出，風(fēng)琴管噴嘴射流的空泡含量從軸線處逐漸升高，并在距軸線近 0.8 mm 處達(dá)到峰值，說(shuō)明射流的空化初生強(qiáng)度主要集中在噴嘴孔壁周圍，中心軸線處較弱。串聯(lián)組合噴嘴射流的空泡含量由軸線處的最高點(diǎn)逐漸降低，隨后出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，最后遇到孔壁后迅速降低到 0。原因是由于在諧振腔的震蕩空化與中心體的繞流空化共同作用下，導(dǎo)致串聯(lián)組合噴嘴的中心軸線處以及軸線兩端都出現(xiàn)了明顯的空化初生現(xiàn)象。對(duì)比 2 種噴嘴，風(fēng)琴管噴嘴出口截面處的空泡含量波動(dòng)較大，而串聯(lián)組合噴嘴射流的空泡含量主要分布在 0.8～1.0 之間，上下起伏較為平緩。

圖6 2 種噴嘴的空泡體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Cavitation volume fraction distribution of two kinds of nozzle

4 結(jié)語(yǔ)

基于風(fēng)琴管噴嘴提出了一種與中心體相結(jié)合的新型噴嘴，并采用 CFD 軟件 Fluent 數(shù)值模擬了射流的空化現(xiàn)象。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，流體通過(guò)諧振腔并繞過(guò)中心體后能產(chǎn)生更高含量的空泡，因此串聯(lián)組合噴嘴所展現(xiàn)的空化效果更為劇烈。串聯(lián)組合噴嘴出口孔壁周圍及中心軸線處均具有明顯的空化初生現(xiàn)象，噴嘴出口周圍流場(chǎng)的空泡分布較為均勻。該噴嘴對(duì)于空化射流噴嘴結(jié)構(gòu)的研究以及工程應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。