射流渦環(huán)噴嘴出口角度對(duì)渦環(huán)特性的影響

＊李考溢 李勤 霍英妲 肖豐錕

（沈陽工業(yè)大學(xué)化工裝備學(xué)院 遼寧 111000）

化工廢水處理一直是環(huán)境治理問題的重中之重，空化射流處理化工廢水的方式在近年來已成為一類熱點(diǎn)問題，研究人員在此方面已設(shè)計(jì)出多種空化射流噴嘴，目前的研究?jī)H關(guān)注于單一的水射流技術(shù)，未進(jìn)一步擴(kuò)展噴嘴形式及處理方式。渦環(huán)以其形態(tài)特殊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、且具有出色的流體卷吸能力等特點(diǎn)，可將其應(yīng)用在射流空化噴嘴上。通過研究發(fā)現(xiàn)[1-3]，渦環(huán)射流相較于傳統(tǒng)射流，其射流范圍更大、擾動(dòng)能力更強(qiáng)，因此研究一類新型射流渦環(huán)噴嘴對(duì)于廢水處理領(lǐng)域具有一定實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外有關(guān)射流渦環(huán)的研究大多對(duì)渦環(huán)自身結(jié)構(gòu)特性開展研究，Maxworthy[4]利用活塞裝置產(chǎn)生渦環(huán)并初步研究了渦環(huán)的演化和生長(zhǎng)的過程，發(fā)現(xiàn)渦環(huán)的形成時(shí)間會(huì)隨入口直徑的增大而增大，但未對(duì)出口結(jié)構(gòu)及角度做進(jìn)一步研究；向陽[5]對(duì)渦環(huán)的物理特征開展了進(jìn)一步研究，通過流函數(shù)的方法確定了渦環(huán)的邊界，并探討了有關(guān)渦環(huán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性；陳昌隆[6]則對(duì)渦環(huán)的的演化及渦環(huán)撞擊固體壁面開展了相關(guān)研究，研究表明雷諾數(shù)會(huì)影響主渦環(huán)的誘導(dǎo)能力，雷諾數(shù)越高，則渦環(huán)的誘導(dǎo)能力越強(qiáng)。以上研究?jī)H對(duì)渦環(huán)自身的特性開展了相關(guān)研究，未見有改變出口角度而對(duì)渦環(huán)所造成影響的研究。因此，本文模擬對(duì)射流渦環(huán)噴嘴開展研究，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)不同出口角度下的渦環(huán)相關(guān)特性進(jìn)行研究。

1.研究方法

本文采用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)簡(jiǎn)化的噴嘴出口射流的噴射過程、流場(chǎng)現(xiàn)象及尾渦環(huán)的發(fā)展變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用大渦模擬方法進(jìn)行計(jì)算。

(1)計(jì)算方法和幾何建模

為進(jìn)一步對(duì)渦環(huán)噴嘴進(jìn)行研究，建立了如圖1所示的經(jīng)簡(jiǎn)化的二維噴嘴射流軸對(duì)稱幾何模型，該模型是由一錐形噴嘴簡(jiǎn)化模型和水域組成，水域則簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)方形。入口直徑為D=5mm，出口直徑為d，為表征出口角度的不同對(duì)射流渦環(huán)造成的影響，定義K=d/D，此后選用不同的K值進(jìn)行計(jì)算，本文對(duì)K值的選用分別為0.2、0.3、0.4、0.5，入口速度設(shè)置為0.15m/s。為保證噴嘴噴射來流的均勻性以及考慮到射流尾跡區(qū)的尾流能夠充分發(fā)展，再加消除邊界對(duì)渦環(huán)形成的影響，在該計(jì)算模型中選取噴管出口半徑為特征尺度，將整個(gè)長(zhǎng)方形水域的長(zhǎng)、寬尺寸確定為特征尺度的50倍、20倍，即取長(zhǎng)方形水域的長(zhǎng)和寬分別為62.5mm、25mm。

圖1 簡(jiǎn)化噴嘴及外部流場(chǎng)模型

(2)無關(guān)性驗(yàn)證研究

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證和結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

通過改變計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量來驗(yàn)證不同網(wǎng)格計(jì)算的準(zhǔn)確性，選用渦環(huán)速度環(huán)量Γ進(jìn)行驗(yàn)證，以此判斷網(wǎng)格的收斂性。為簡(jiǎn)化處理，選用網(wǎng)格數(shù)量分別為105210、244649、407252。

由上述3組不同數(shù)量網(wǎng)格計(jì)算得到的Γ隨時(shí)間變化如圖2所示。由圖2可見，三組網(wǎng)格計(jì)算的Γ都隨著時(shí)間的變化而變化，曲線基本重合，僅N2的個(gè)別點(diǎn)有所偏移。為節(jié)省計(jì)算資源，選用較小的N1組進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

圖2 不同網(wǎng)格條件下Γ隨t的變化規(guī)律

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，圖3對(duì)比了相同條件下所模擬的射流渦環(huán)與Yu[7]的渦量圖。上方為模擬所得結(jié)果，下方為Yu通過實(shí)驗(yàn)所得。由圖可見，二者的渦量圖基本吻合，主渦環(huán)及尾渦的趨勢(shì)具有一致性，因此本文所采用的計(jì)算方法準(zhǔn)確性較高。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果渦量對(duì)比

2.結(jié)果與討論

(1)渦環(huán)的形成及其演化過程

在射流離開噴嘴出口，向外界流動(dòng)的同時(shí)，由于噴嘴出口處結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致流體形成剪切層并進(jìn)一步演化發(fā)展成渦環(huán)結(jié)構(gòu)。此后，主渦環(huán)將進(jìn)一步發(fā)展，不斷地卷吸周圍流體，將其吸入渦環(huán)內(nèi)，直到達(dá)到其最大卷吸能力后，渦環(huán)則會(huì)達(dá)到夾止?fàn)顟B(tài)，此后渦環(huán)將不再繼續(xù)生成，接下來卷吸的流體將在主渦環(huán)的誘導(dǎo)卷吸下形成尾跡渦環(huán)。此處以K=0.4為例，分析渦環(huán)的形成及演化過程，并將由于K值不同所造成的結(jié)果進(jìn)行分析。

K=0.4時(shí)渦環(huán)的演化過程如圖4所示。當(dāng)t=2ms時(shí)，在出口附近的射流由于噴嘴出口的剪切作用，形成剪切層并開始卷起（見圖4（a））；此后射流繼續(xù)流動(dòng)并卷起，在7ms時(shí)形成明顯的渦核結(jié)構(gòu)（見圖4（b））；此后，渦環(huán)不斷卷吸后方來流以及周圍流體，渦環(huán)結(jié)構(gòu)不斷增大，直到達(dá)到最大卷吸能力，無法再吸收外界流體，而由于渦環(huán)的卷吸能力，其后所吸收的流體將以尾跡渦的形式出現(xiàn)在主渦環(huán)的尾部（見圖4（c)）。當(dāng)t=54ms時(shí)，主渦環(huán)將部分尾跡渦吸收，直到和尾跡渦分離（見圖4（d））。在K=0.3、0.5的條件下渦環(huán)的發(fā)展趨勢(shì)與K=0.4基本一致。而在K=0.2的條件下，情況則稍有變化。

圖4 K=0.4時(shí)渦環(huán)發(fā)展渦量圖

當(dāng)K=0.2時(shí)，由于出口直徑的縮小，渦環(huán)的形成與發(fā)展都要明顯快于K=0.4的情況，主渦環(huán)僅在t=4ms左右便處于完全生長(zhǎng)狀態(tài)。此后在渦環(huán)不斷發(fā)展的過程中，僅有主渦環(huán)所誘導(dǎo)的尾跡渦，而在噴嘴出口，僅產(chǎn)生了剪切層結(jié)構(gòu)，但卻未進(jìn)一步發(fā)展為渦環(huán)結(jié)構(gòu)。這主要是由于出口直徑過小，出口處流速增大，剪切層形成時(shí)間過短而不足以產(chǎn)生渦環(huán)結(jié)構(gòu)。

(2)出口角度對(duì)渦環(huán)重要參數(shù)的影響

本節(jié)主要分析出口角度與渦環(huán)的重要參數(shù)包括ω、rc及rr之間的關(guān)系。

①渦核內(nèi)渦量分布

圖5 不同K值渦量分布曲線對(duì)比

渦量可以顯示出渦環(huán)對(duì)周圍流體的卷吸情況，通過對(duì)四種條件下處于完全生長(zhǎng)狀態(tài)下的主渦環(huán)渦量進(jìn)行對(duì)比，可以清晰地看出，不同K值下，渦環(huán)渦量的差距十分明顯，其大小隨K值的增大而不斷減小。這主要是由渦量得計(jì)算方法和流體速度所導(dǎo)致得。一般來說，某點(diǎn)的渦量大小是流體微團(tuán)繞該點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的平均角速度的兩倍，也是流體速度矢量的旋度。由于K值越大，出口直徑也越大，流體在出口的速度越小，這就導(dǎo)致了渦量的驟降。對(duì)于單個(gè)主渦環(huán)來說，渦環(huán)的卷吸能力往往比渦量的大小更為重要，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在K=0.4的條件下，主渦環(huán)的卷吸能力最佳。

②渦環(huán)半徑和渦核半徑

本文參考了Norbury[8]對(duì)于渦環(huán)半徑的分類，以此來界定渦環(huán)的直徑及渦核直徑。取渦量絕對(duì)值最大的兩點(diǎn)間距離的一半定義為渦環(huán)半徑（rc），而渦核半徑（rr）則通過渦核速度分布的最大與最小值距離所確定。兩半徑隨K值的變化如圖6所示。由圖可見，渦環(huán)半徑rc的曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)較為規(guī)律，基本與K值成正比。隨著出口直徑的不斷增大，渦環(huán)在出口處所能夠剪切成的渦環(huán)結(jié)構(gòu)也就越大。而渦核半徑的增長(zhǎng)規(guī)律則稍有不同，可以看到，渦核直徑的增長(zhǎng)隨著K值的增大并不規(guī)律。說明K值會(huì)對(duì)渦核的形成造成影響，而對(duì)渦環(huán)半徑則無特殊影響。在K處于0.2至0.3之間，rc反而減小，說明此時(shí)K對(duì)渦核的形成影響較大，而在K＞0.4后，rc逐漸增大。因此可以認(rèn)為，K對(duì)rr、rc的影響較大，尤其是對(duì)rc影響較大，且四種條件下，K=0.4所產(chǎn)生的渦核增長(zhǎng)速率最大。

圖6 rc及rr隨K的變化情況

③渦環(huán)壓力場(chǎng)變化

圖7為渦環(huán)處于完全發(fā)展?fàn)顟B(tài)下的流場(chǎng)壓力云圖分布，由圖可以看出，在4種K值條件下，渦核中心區(qū)域均出現(xiàn)了相對(duì)較大的負(fù)壓區(qū)，其負(fù)壓區(qū)位置與渦核中心區(qū)域基本重合，符合渦結(jié)構(gòu)規(guī)律。其中，在K=0.4與K=0.5條件下，渦環(huán)的壓力分布基本一致，均產(chǎn)生了弓形壓力波，其產(chǎn)生的主要原因來自兩方面：一方面是由于噴嘴出口的剪切層導(dǎo)致其出口處附近產(chǎn)生了較大壓力，另一方面是由于渦環(huán)自身的連續(xù)卷吸特性，導(dǎo)致渦環(huán)前方壓力增大并產(chǎn)生壓力波，從而使得流體能夠源源不斷地被吸入渦環(huán)結(jié)構(gòu)中。在K=0.2時(shí)，渦環(huán)已遠(yuǎn)離噴嘴出口，此時(shí)可見僅在主渦環(huán)前方存在較大的壓力波動(dòng)，而其后方的壓力波則是由后方誘導(dǎo)卷吸形成的尾渦環(huán)的卷吸所造成的。因此可以認(rèn)為，渦環(huán)由于自身卷吸特性，會(huì)使其前方產(chǎn)生壓力波；該壓力波的形成與渦核自身結(jié)構(gòu)有關(guān)。渦核半徑，即rr越小，所產(chǎn)生的前方壓力波也就越?。籸r越大，前方壓力波也就越大。而渦環(huán)后方的壓力波的來源主要有兩種：一種是由后方誘導(dǎo)渦環(huán)的前方壓力波所組合而成，稱之為組合壓力波；另一種是由噴嘴出口處的剪切層所貢獻(xiàn)的，稱之為剪切壓力波。二者不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，其出現(xiàn)形式主要與渦環(huán)和噴嘴之間的距離所決定，經(jīng)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定，一般當(dāng)渦核與噴嘴出口之間的距離（Lc）與渦環(huán)直徑（Dr）之比大于2時(shí)不會(huì)產(chǎn)生剪切壓力波。

圖7 不同K值下渦環(huán)壓力云圖對(duì)比

3.結(jié)論

本文結(jié)合數(shù)值模擬手段求解不同出口角度下噴嘴渦環(huán)的相關(guān)特性，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合；分析不同出口角度下渦環(huán)的演化過程；給出了不同出口角度下渦環(huán)演變發(fā)展?fàn)顟B(tài)不同的解釋；并分析了不同出口角度對(duì)渦環(huán)參數(shù)的重要影響，為進(jìn)一步研究射流渦環(huán)噴嘴奠定了基礎(chǔ)。研究主要得到以下結(jié)論：

（1）在入口條件一定的情況下，改變出口大?。↘值）對(duì)渦環(huán)發(fā)展的影響較小，僅在K值小于0.2時(shí)，對(duì)尾跡渦的生成造成影響；

（2）在產(chǎn)生的渦環(huán)中，K=0.4時(shí)所產(chǎn)生的渦環(huán)渦量分布曲線斜率較大、渦量更為集中、渦核成長(zhǎng)均勻、且結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；

（3）相同條件下，K=0.4時(shí)渦核直徑最大，對(duì)于同等工況下，選用K=0.4類型的噴嘴所產(chǎn)生的渦環(huán)影響范圍更大。