高壓噴嘴的射流仿真研究

張 振，章巧芳

（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014）

0 引言

高壓水射流技術(shù)是近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，其基本原理是將水用高壓從噴嘴處壓出以形成射流動(dòng)能［1］。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，高壓水射流技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于除銹除層、工業(yè)清洗、水力切割以及鉆孔開(kāi)采等［2-3］。因其具有環(huán)保、能量集中、成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。而高壓噴嘴作為高壓水射流系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件，它的結(jié)構(gòu)及性能直接影響著高壓水射流效果的好壞［4］，故而對(duì)高壓噴嘴的研究有著非常重要的意義。重慶大學(xué)的葛兆龍，盧義玉等人［5］利用Fluent 研究了水力噴砂射孔噴嘴的長(zhǎng)徑比對(duì)出口沖蝕性能的影響后得出結(jié)論：長(zhǎng)徑比為1.8時(shí)，出口射流速度和動(dòng)能最大。武漢科技大學(xué)的朱學(xué)彪、陳奎生等人［6］利用Fluent對(duì)高壓水除磷噴嘴的流場(chǎng)情況進(jìn)行了研究后得出結(jié)論：噴嘴的出口速度與系統(tǒng)壓力成正比，與噴射距離成反比。

本研究在對(duì)高壓噴嘴建立有限元模型的基礎(chǔ)上，使用流體仿真軟件Fluent 對(duì)不同收縮角噴嘴的內(nèi)、外流場(chǎng)進(jìn)行仿真，并對(duì)淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流兩種噴嘴射流方式分別進(jìn)行仿真，然后對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對(duì)比分析，得出不同收縮角和不同的射流方式對(duì)高壓水射流性能的影響曲線，為進(jìn)一步研究高壓水射流提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 流場(chǎng)基本理論

本研究所涉及到的為不可壓縮連續(xù)流動(dòng)，故而需滿足流體流動(dòng)的連續(xù)方程式和動(dòng)量守恒方程式如下：

連續(xù)方程：

式中：ρ—密度；t—時(shí)間；u—速度矢量；u,v,w—速度矢量u在x、y和z方向的分量。

動(dòng)量守恒方程：

式中：grad()=?()?x+?()?y+?()?z；符號(hào)S u,S v,S w—?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)。

又因在噴嘴噴射的過(guò)程中和氣體有能量的交換，所以還應(yīng)滿足能量守恒方程式［7］：

式中：cp—比熱容，T—溫度，k—流體的傳熱系數(shù)，S T—流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分［8］。

2 噴嘴的模型建立及邊界條件的確定

2.1 噴嘴的幾何模型及網(wǎng)格劃分

本研究所采用的噴嘴幾何模型屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少仿真的計(jì)算量，筆者選取一半作為計(jì)算區(qū)域，為了仿真得出噴嘴外流場(chǎng)的流動(dòng)情況，在噴嘴的外部建了一個(gè)很大的區(qū)域作為噴嘴外部射流區(qū)域［9］。

其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：AB=2.5 mm，C D=1 mm，C I=220 mm，H I=20 mm，AD與BC的夾角為收縮角的一半［10］。

圖1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究將幾何模型導(dǎo)入到Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于噴嘴內(nèi)部、出口處以及流場(chǎng)軸線上的流場(chǎng)速度變化比較大，為了準(zhǔn)確地反映流場(chǎng)的變化情況，本研究對(duì)這3個(gè)地方進(jìn)行網(wǎng)格的加密，其余部分網(wǎng)格相對(duì)稀疏［11］。因?yàn)槿切尉W(wǎng)格具有更好的配合性，故而整個(gè)模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2.2 邊界條件的確定

本研究采用多相流中的混合模型，其中AB為噴嘴入口，邊界條件為壓力入口（pressure inlet），壓力值為20 MPa；AD、D E、EF、F G均為無(wú)滑移邊界壁面（wall）；H I、G H為壓力出口（pressure outlet），壓力值為0 Pa；操作壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；BC、C I邊界條件為對(duì)稱軸邊界（aix）；C D為默認(rèn)的interior邊界。

3 流場(chǎng)仿真結(jié)果分析

3.1 同一噴嘴淹沒(méi)射流與非淹沒(méi)射流仿真結(jié)果

一股速度很大的流動(dòng)射入周圍流體時(shí)所形成的流動(dòng)，稱之為射流。而按照射流周圍介質(zhì)的性質(zhì)，射流又可以分為淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流。若射流介質(zhì)與周圍介質(zhì)相同則稱為淹沒(méi)射流，若不同則稱為非淹沒(méi)射流［12］。淹沒(méi)射流因?yàn)橹車橘|(zhì)為同一種介質(zhì)，故而射流的能量很快就傳遞到了周圍介質(zhì)中，這也就決定了淹沒(méi)射流在出口處有一個(gè)短暫的加速之后速度會(huì)很快降低。而非淹沒(méi)射流如水射入空氣中，因空氣對(duì)水的阻力較小，故而軸線上的速度減弱較慢。

噴嘴在20 MPa的壓力下，以水為介質(zhì)的高壓噴嘴淹沒(méi)射流與非淹沒(méi)射流的速度云圖如圖2、圖3所示。

從圖中可以很清晰地看出，兩種射流情況的基本形狀大致一致，但淹沒(méi)射流的軸向速度變化很明顯，從最大值經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間就減小到很小的程度，而非淹沒(méi)射流雖然也有一個(gè)減速的趨勢(shì)，但減小的很少，在很短的距離內(nèi)很難看到變化量，這與理論分析的結(jié)果相吻合。另外，這也表明非淹沒(méi)射流對(duì)于高壓水射流的能量集中起著積極的作用。

圖2 高壓噴嘴淹沒(méi)射流速度云圖

圖3 高壓噴嘴非淹沒(méi)射流速度云圖

3.2 相同壓力不同收縮角條件下噴嘴仿真結(jié)果分析

噴嘴在壓力為20 MPa 條件下，收縮角為10°時(shí)的非淹沒(méi)射流的速度云圖如圖4所示。

圖4 收縮角為10°時(shí)高壓噴嘴速度云圖

本研究將圖4 與圖3所示收縮角為30°的非淹沒(méi)射流的速度云圖相對(duì)比，可以看出，兩者的流場(chǎng)的形狀大致相同，但很明顯速度的變化趨勢(shì)有所不同。

壓縮角分別為5°、10°、30°、60°時(shí)軸向的速度變化曲線如圖5所示。從圖5 中可以看出當(dāng)收縮角為10°時(shí)速度最為集中且穩(wěn)定性比較好，這表明，在其他條件相同的情況下，收縮角為10°的非淹沒(méi)射流噴嘴的高壓水射流沖擊力最大。這也表明此種條件是最優(yōu)選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究先對(duì)高壓噴嘴進(jìn)行了模型的建立以及網(wǎng)格的劃分，然后通過(guò)使用Fluent 數(shù)值仿真軟件對(duì)高壓噴嘴的淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流以及不同收縮角條件下同一噴嘴的非淹沒(méi)射流進(jìn)行仿真，并通過(guò)后處理提取出噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的速度分布，分析比較了不同噴射方式以及不同收縮角的情況下，高壓噴嘴速度的集中性和穩(wěn)定性。

研究結(jié)果表明，非淹沒(méi)射流比淹沒(méi)射流具有更好的軸向速度集中性，而且當(dāng)收縮角為10°時(shí)速度更加穩(wěn)定；在其他條件相同的情況下，選擇收縮角為10°的噴嘴進(jìn)行非淹沒(méi)射流更有利于高壓噴射系統(tǒng)的使用，這對(duì)高壓噴嘴的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 不同收縮角時(shí)軸向速度變化曲線

（References）：

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