高壓水射流的流場動態(tài)行為機理分析

張培銘，袁 聰，朱麗莎

（1.廣西機械工業(yè)研究院有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.肇慶學院機械與汽車工程學院，廣東 肇慶 526061）

1 引言

高壓水通過特定結構的噴嘴時形成的高速射流具有強大的沖刷能力，在多種工業(yè)工程領域有重要的應用，如采礦工程、高壓清洗、水體污染治理等。針對不同的應用場景，國內(nèi)外學者們開展了大量的研究。

文獻[1]分析了自激振蕩脈沖霧化噴嘴的流動特性，總結了噴嘴空化效果的重要影響因素。文獻[2]研究了掘進機截割頭的噴嘴結構，根據(jù)輔助截割效果分析了高壓射流噴嘴的關節(jié)環(huán)節(jié)。文獻[3]研究了極限工況下的射流泵的流動特性，探討了阻塞流動的形成機理。文獻[4]提出了風琴管射流自激頻率的估算模型，研究了射流特性參數(shù)的演變規(guī)律。文獻[5]研究了流場結構尺寸對淹沒式圓孔射流的沖蝕效果的影響。文獻[6]研究了噴嘴內(nèi)的流動結構對霧化效果的影響。文獻[7]對引擎霧化噴嘴的起始階段的動態(tài)特性進行了研究，揭示了液核前端的傘狀結構以及跨音速流動現(xiàn)象。文獻[8]分析了噴嘴尺寸參數(shù)對自振射流的影響。

通常噴嘴的尺寸極小，而且水射流的速度通常為100m/s的量級，造成高壓噴射流的時間及長度尺寸均較小，難以通過常規(guī)實驗手段測量相關流場變量。因此高壓噴射流的流場結構仍未得到透徹的研究。近年來，隨著計算機技術的進步以及計算流體力學的發(fā)展，流場數(shù)值模擬儼然成為噴射流的重要分析手段。但是針對高壓清洗場合的水射流數(shù)值模擬仍較罕見，尤其是高壓水射流的噴嘴內(nèi)流場及噴嘴外的霧化過程仍有待研究。這里擬使用基于OpenFOAM開源平臺開發(fā)的求解器對通過某種噴嘴結構的高壓水射流開展三維瞬態(tài)流場模擬，并根據(jù)數(shù)值模擬結果揭示各區(qū)域的流場結構，分析噴射流的重要作用機制，為高壓水射流清洗的應用研究提供參考。

2 數(shù)學模型

本研究僅針對無空化條件下的準穩(wěn)態(tài)的高壓水射流，并不關注噴射流的初始過渡狀態(tài)。另外噴嘴出口外為1MPa的高壓空氣，可以預知噴射流將在噴嘴下游處首先發(fā)生霧化，然后沖擊擋板壁面并誘發(fā)猛烈的液核破碎。

因此，將采用VOF流相界面捕捉算法計算液滴和液核表面張力，揭示射流液核的動態(tài)演變過程。

相輸運方程為：

動量方程為：

最后構建出如下的壓力方程：

上述壓力方程中，對壓縮性相關項采用全隱性處理手段，以便處理局部跨音速流動。使用線性狀態(tài)方程描述各流相的可壓縮性：

使用WALES模型描述亞尺度湍流，其較傳統(tǒng)的Smagorinsky湍流模型在近壁面的區(qū)域具有更理想的效果[9]。上述方程中各符號指代的物理意義可參加，如表1所示。下標l和v分別指代液相和汽相。

表1 各符號的指代意義Tab.1 Nomenclature

3 數(shù)值模擬方法驗證

將方孔高壓噴射流作為測試算例，對數(shù)值模擬方法開展驗證計算。算例的幾何尺寸及網(wǎng)格模型，如圖1所示。數(shù)值模擬獲得的方孔截面速度曲線，及其與文獻[9]的實驗測量結果對比圖，如圖2所示。數(shù)值模擬預測了方孔左側壁面處的環(huán)流現(xiàn)象，并且時均速度值與實驗測量結果較為接近，整體誤差為6.3%。數(shù)值模擬結果得到的方孔出口處液核輪廓與實驗拍攝照片的對照圖，如圖3所示。液核在離開方孔后立刻呈現(xiàn)非規(guī)整的表面輪廓，表明流場已經(jīng)產(chǎn)生較強的不穩(wěn)定性。整體而言，數(shù)值模擬方法較好的復制了方孔射流的流場動態(tài)變化趨勢，說明數(shù)值模擬方法的有效性。

圖1 方孔射流的流域結構尺寸及計算網(wǎng)格Fig.1 Geometric Structure Flow Domain in the Validation Case of Square Nozzle and the Corresponding Grid Model.

圖2 孔內(nèi)速度分布曲線對比圖（實驗數(shù)據(jù)引自文獻[9]）Fig.2 Velocity Curve within the Square Nozzle（Experimental Data from Reference[9]）

圖3 孔出口處的液核輪廓（照片引自文獻[9]）Fig.3 Liquid Jet Morphology at the Outlet of Nozzle（Experimental Data from Reference[9]）

4 模擬計算設置

流場出口及入口均使用恒定總壓邊界條件（Total Pressure），入口和出口壓力分別為31MPa和1MPa，出于壓力波的考慮流場出口結合了無反射的算法（Non-Reflective）。其余的壁面均為無滑移壁面。流場的幾何尺寸，如圖4所示。

圖4 水射流的幾何尺寸Fig.4 Geometric Dimension of Water Jet

高壓水經(jīng)過直徑0.3mm 長度4mm 的噴嘴后形成高速水射流，對距噴嘴出口4mm處的擋板產(chǎn)生巨大的沖擊作用。使用的網(wǎng)格模型，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格模型Fig.5 Grid Model

共有約4百萬網(wǎng)格單元。本研究僅針對準穩(wěn)態(tài)的高壓水射流，并不關注噴射流的初始過渡狀態(tài)。

5 計算結果及討論

以下將根據(jù)算例二的流場模擬結果對高壓水射流的流場結構進行初步的分析，并且該流場結構分析針對不同的流場區(qū)域進行單獨討論，如圖6所示。

圖6 噴射流的瞬時流動狀態(tài)Fig.6 Instantaneous Flow Structure of Water Jet

5.1 噴嘴入口處的流場結構分析

流體經(jīng)過噴嘴入口時發(fā)生近壁面邊界層脫落現(xiàn)象，如圖7（c）所示。使得入口處的實際有效通流面積小于噴嘴的橫截面，形成斷面收縮現(xiàn)象（Contracta Vena）。另外由于噴嘴的長度/直徑比較大（13.3），在靠近壁面的區(qū)域存有從出口處卷入的空氣，形成水力柱塞流（Hydraulic Flip）（圖7（a，b））。

圖7 噴嘴入口處的流場結構Fig.7 Flow Structure at Nozzle Inlet

水力柱塞流將進一步減小有效同流面積，造成經(jīng)過噴嘴入口拐角處的液體發(fā)生局部加速。上述三種因素都使噴嘴入口處的不穩(wěn)定性增強，產(chǎn)生漩渦結構，如圖7（d）所示。另外水力柱塞流現(xiàn)象能夠有效抑制擬序漩渦的形成，因此入口處的漩渦結構以流向渦為主。

5.2 噴嘴中間部分的流場結構分析

由于噴嘴的直徑較小，造成局部雷諾數(shù)較小，噴嘴中間部分的流場結構逐漸回復至較為平穩(wěn)的層流狀態(tài)，經(jīng)過一段距離后，入口處產(chǎn)生的流向渦明顯減弱，如圖8（b）所示。

圖8 噴嘴中部的流場結構Fig.8 In-Nozzle Flow Structure

另外由于水力柱塞流效應壁面附近充斥動力粘度較小的空氣，也有效地降低壁面處的剪切效應，從而切斷漩渦根源。盡管空氣與液體的邊界面較為不穩(wěn)定，并在流場模擬結果中存在一些擾動，如圖8（a）所示。但由于模擬計算中并未考慮空化現(xiàn)象，因此該部分的不穩(wěn)定性及擾動并未影響到整體的層流狀態(tài)，液核表面仍較為光滑。

5.3 噴嘴出口處的流場結構分析

液體通過噴嘴出口處后，在液核表面形成擬序漩渦，如圖9（b）所示。并迅速瓦解在下游處發(fā)展成大量的不規(guī)則漩渦結構。在這些高強度的漩渦作用下，液核受到扭曲、剪切或拉伸，其表面開始變得坑洼不平，并形成數(shù)量較大的液滴散布在液核的四周。另外需要注意到，由于液核的速度較大，達到250m/s以上，形成局部跨音速流動（Transonic Flow），在液核四周產(chǎn)生極為顯著且規(guī)則的壓力波。

圖9 噴嘴出口處的流場結構Fig.9 Flow Structure at Nozzle Inlet

5.4 擋板處的流場結構分析

在擋板處上游約（0.5～3）mm 的區(qū)域，大尺寸漩渦瓦解產(chǎn)生數(shù)量巨大的小漩渦，如圖10（b）所示。同時，液核開始發(fā)生一次霧化現(xiàn)象（Primary Atomization），液核呈現(xiàn)出與其直徑尺寸相當?shù)陌伎?，如圖10（b）所示。

圖10 噴嘴出口處的流場結構Fig.10 Flow Structure Near the Bottom Plate

這些凹坑使液核逐漸丟失軸對稱性，并最終導致液核對擋板的不規(guī)則沖擊。擋板的最大壓力并不存在于圓心位置，而是與液核的不規(guī)則形態(tài)相關，高壓區(qū)域基本上與沖擊液核位置重合，并且在圖（iii）的瞬間產(chǎn)生較強的峰值壓力（約為33MPa），如圖11所示。液核沖擊擋板后發(fā)生部分反彈形成大量液滴向四周散射，同時擋板表面處涌現(xiàn)出大量漩渦，另外緊貼著在擋板表面也形成層狀的散射流動。

圖11 連續(xù)時刻擋板處的流場結構（時間間隔為1×10-6s）Fig.11 Flow Structure on the Bottom Plate at Consecutive Instants with a Time Interval of 1×10-6s

6 結論

根據(jù)流場模擬結果，分析了高壓水射流的流場結構，得到以下結論：

（1）該噴射流場的漩渦結構主要集中在三個區(qū)域，并且由不同的機制觸發(fā)。噴嘴入口處的流向渦源于入口處壁面的邊界層分離，噴嘴出口處的擬序漩渦瓦解誘發(fā)下游處的大量的流向渦，而擋板上的液核破碎造成大量雜亂分布的漩渦。

（2）擋板表面的壓力分布呈現(xiàn)明顯的瞬時變化特征，并且與液核的霧化過程具有密切的相關性。