新型中心體噴嘴流場數值模擬與結構優化

劉魯興 鄧松圣 管金發 李國棟 姚 粟 姜玉泉

中國人民解放軍陸軍勤務學院油料系, 重慶 401331

0 前言

儲罐廣泛應用于石油行業中,無論是成品油還是原油儲存,儲罐都具有相當重要的地位[1]。由于油品中水分、無機鹽、雜質、細菌、工作溫度和沉降作用等原因,隨著時間推移,會影響儲罐儲油的質量,使儲罐堵塞,罐底板及內壁腐蝕生銹,嚴重時儲罐會出現穿孔,導致油品泄漏,引起安全事故,對儲罐產生不利影響[2-4]。為保證油品質量,延長儲罐使用壽命,儲罐清洗必不可少[5]。近年來，為實現儲罐清洗工作的安全與環保,逐漸開展了對空化水射流清洗儲罐的研究[6]。

空化水射流是人為在噴嘴出口處誘發空化[7-8],使射流產生空泡在沖擊到靶材表面時發生潰滅,以達到清洗、切割或破碎物料的效果[9-11]。根據空化原理,空化一般可通過三種方式獲取:繞流型空化、剪切型空化和振蕩型空化[12-13]。中心體噴嘴則是產生繞流型空化的核心部件[14]。早在20紀70年代，Johnson V E J等人[15]就對中心體噴嘴展開了研究,隨著水射流技術研究的發展,國內學者對于繞流型空化噴嘴也開展了研究。楊敏官等人[16]在不同相對直徑條件下,對嵌入中心體的空化水射流噴嘴進行了實驗研究,發現空蝕效果與中心體相對直徑有關,隨著相對直徑增大,空蝕程度越來越高;肖勝男[17]提出將中心體噴嘴與異形噴嘴組合以產生更好的空化射流效果的思路,發現異形出口的中心體噴嘴產生的流場中,空泡相延伸距離更長,異形出口的中心體噴嘴產生的空化射流效果更好;廖松等人[18]將異性中心體與錐形噴嘴相結合進行數值研究,通過對噴嘴沖蝕能力、壓力、氣含率等因數的分析與比較,發現用90°錐形柱體的中心體與噴嘴相結合空化效果更明顯。

為提高噴嘴的空化效果,增加噴嘴的沖蝕性能,本文在前人研究的基礎上,對一種帶有擴散角的中心體噴嘴展開研究,通過Fluent軟件進行數值模擬,研究比較因擴散角度不同對噴嘴誘發空化效果的影響。

1 幾何模型

圖1為中心體噴嘴原理和結構圖,其中圖1-a)是中心體噴嘴結構圖,在噴嘴中心置入一圓柱體,圓柱體的端面與噴嘴出口端面平齊、縮進或伸出一定距離；圖1-b)是誘發空化原理圖,流體在繞過中心體時形成尾流,從而產生空化氣泡[19];圖1-c)和圖1-d)分別是無擴散角噴嘴和含擴散角噴嘴結構簡圖。經研究，中心體直徑Dc與出口直徑Dn的比值在0.5～0.8之間空化效果較好[20]。本文中心體內縮長度L、Dc、Dn的取值分別為2、1、2 mm，為進一步比較不同擴散角的影響,在計算中擴散角θ取值分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°。

a)中心體噴嘴結構圖

b)誘發空化原理圖

c)無擴散角噴嘴結構簡圖

d)含擴散角噴嘴結構簡圖

2 計算模型及前處理

2.1 網格的劃分

噴嘴的結構整體呈錐直型,網格的劃分相對容易。構建二維流體計算域的網格圖,即可準確模擬空化的產生。圖2為含擴散角中心體噴嘴網格圖,在噴嘴出口左側為噴嘴的網格區,右側區域設定為大氣區,整體所包含的網格數約1.5×104個。同時對噴嘴收縮段、噴嘴出口處及近壁面處的網格進行適當加密。

圖2 含擴散角中心體噴嘴網格圖

2.2 計算模型的選取

空化模型在實際應用過程中,數值計算的穩定性受到眾多因素的影響,選擇合理的空化模型尤為重要。Fluent軟件中提供了Zwart-Gerber-Belamri、Schnerr and Sauer和Singhal et al三種空化模型。綜合比較三種空化模型，Singhal et al模型的可操作性相對較差;另外兩種模型雖然計算不夠精細,但相對穩定;同時Schnerr and Sauer模型相較于Zwart-Gerber-Belamri模型計算更易收斂。本文選擇Schnerr and Sauer模型[21-22]進行數值仿真。

計算模型的體積分數方程為:

(1)

連續性方程為:

(2)

動量方程為:

(3)

式中:ρm為混合物密度,kg/m3;ρv為蒸氣密度,kg/m3;ρl為水密度,kg/m3;νm為混合物速度,m/s;μm為混合物黏度,Pa·s;i、 j為張量下標;η為質量轉換系數;αp為氣泡體積分數;φ為氣泡質量，kg;t為時間，s；x為直角坐標軸。

2.3 邊界的設定

利用Fluent軟件讀取劃分好的網格,進行邊界設定。

1)噴嘴入口處邊界設定:入口邊界選擇pressure inlet,壓力數值為15 MPa;流體介質為水和蒸氣兩種,其中水的體積分數為1;水到蒸氣之間的反應選擇cavitation,水的飽和蒸氣壓為3 540 Pa。

2)噴嘴出口處邊界設定:出口邊界選擇pressure outlet,外部區域為大氣,壓力數值為101 325 Pa。

3)壁面邊界設定:噴嘴壁面和中心體壁面均選擇wall,勾選無滑移狀態。

3 仿真結果及分析

將計算結果導入后處理軟件,為更清晰地顯示空化區域的壓力變化,僅展現3 540～101 325 Pa的低壓區域。壓力超出最大值的部分,按最大值101 325 Pa的區域顏色進行作圖,圖3為不同擴散角噴嘴的壓力云圖。

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

由圖3可知,液體進入噴嘴后,在中心體末端產生繞流型空化，液體壓力在此處達到水的飽和蒸氣壓3 540 Pa,即在此處產生強烈的空化反應。通過圖3可以看出,帶有擴散角的噴嘴,中心體后的空化低壓區范圍明顯大于無擴散角的噴嘴,不同擴散角噴嘴的空化低壓區也存在差異。圖4為不同擴散角噴嘴壓力變化曲線圖,可更清晰地比較不同角度下中心體后壓力變化情況,中心體后壓力即到達空化壓力,與橫坐標平行的曲線段即為達到空化壓力3 540 Pa的區域。由圖4可知，0°擴散角噴嘴空化壓力段長度2 mm為最小;擴散角為10°和25°時壓力變化曲線基本重合,空化壓力段長度為5 mm;擴散角為15°的噴嘴空化壓力段最長為6 mm;在15 MPa的入口壓力下,與其他幾種擴散角的中心體噴嘴相比,擴散角15°時噴嘴產生空化低壓區域最長。

圖4 不同擴散角噴嘴壓力變化曲線圖

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

圖5為不同擴散角噴嘴的氣含率云圖。由圖5可知,中心體后所產生的氣相體積分數較大的區域與圖3中空化低壓區域基本吻合。含擴散角噴嘴后的蒸氣區域明顯大于無擴散角噴嘴,且對于不同擴散角噴嘴,其出口處的蒸氣區域大小也是不同的,擴散角為15°時蒸氣覆蓋范圍相對更大。為更清晰地分析,做不同擴散角噴嘴氣含率變化曲線,見圖6。由圖6可知，所有噴嘴在中心體后的氣含率變化趨勢大致一致,即在中心體后氣含率最高,隨后氣含率先相對緩慢下降,最后氣含率快速變小直至為0。不同擴散角噴嘴其氣含率變化曲線存在差異,擴散角為15°時,噴嘴在中心體后氣含率變化最緩慢,和其他幾種噴嘴相比,在距離中心體相同位置處(即橫坐標相同時),氣含率最高。這和前文所分析的壓力變化曲線得出的結果完全吻合,即擴散角15°時噴嘴空化產生的效果最好。

圖6 不同擴散角噴嘴氣含率變化曲線圖

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

圖7為不同擴散角噴嘴的速度云圖。由圖7可知，不同擴散角噴嘴的速度云圖基本相同,噴嘴在圓柱段得到加速并以較高的速度射入到環境中。圖8為不同擴散角噴嘴速度分布曲線圖,可以清楚地看出射流進入圓柱段速度達到峰值,并保持一定的高速度向前流動,幾種不同擴散角噴嘴到達的速度峰值均為175 m/s。當射流流過中心體末端,隨著流動空間的相對增大,速度開始下降,但仍以較高的速度向前流動。當射流到達噴嘴出口位置,射入外界環境時,射流速度開始急劇下降。對比幾種噴嘴速度變化曲線的差異,可以發現噴嘴擴散角15°時,在噴嘴出口后方同位置處的速度較其他幾種噴嘴是最大的,其能量衰減相對最慢。

圖8 不同擴散角噴嘴速度分布曲線圖

4 結論

1)本文對0°、5°、10°、15°、20°和25°的不同擴散角中心體噴嘴產生空化的過程進行了數值仿真,分析了噴嘴內部流場特性的變化情況。

2)噴嘴入口壓力為15 MPa時,含擴散角噴嘴誘發空化的效果明顯優于不含擴散角噴嘴。

3)含擴散角噴嘴因其擴散角不同,其空化產生的效果也不同。通過計算分析得出,擴散角15°時噴嘴誘發空化效果最好。