噴嘴結構對空化射流的影響分析

崔 聰，張功學，何 凱，張飛飛，徐耀輝，薛 哲

(1.陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021；2.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055)

0 引言

我國擁有廣袤的海洋，其中蘊含著豐富的自然資源，特別是其中蘊藏的能源對我國有著非常重要的戰略地位[1-2]。據探明我國海底油氣能源特別的豐富，且主要位于深海地區，其開發利用就必須使用到海上鉆井平臺，但是海洋生物的日積月累的附著在導管架等重要設施上會額外的增加其重量、分泌的液體會腐蝕導管架、產生損壞、使導管架受力不均勻，其最嚴重的后果會導致導管架垮塌，因此對導管架要定期進行清洗和檢修[3-4]。目前，我國水下清洗作業主要還是依靠傳統的技術，就是潛水員攜帶清洗裝置下水進行清洗作業，這就導致不可能清洗較深區域的導管架，不但使得清洗員人生安全存在巨大危險，而且清洗的成本高、工作時間長、清洗區域很局限[5-6]。水下空化清洗技術方面，以流體力學、數值仿真技術、空化理論為基礎，通過對空化噴嘴的流場進行仿真分析，判斷空化效果的好壞，對空泡體積分數進行分析從而獲取最優的噴嘴結構[7-8]，提高水下導管架清洗效率和導管架的使用壽命。

1 噴嘴結構模型

噴嘴是空化現象產生的最主要的原因。根據空化現象產生的不同原理可知，空化噴嘴有繞流型、剪切型、振蕩型三種不同結構。繞流型空化噴嘴設計加工難度大，導致其成本很高，且空化效果不明顯。因此從實際運用的角度出發，繞流型結構噴嘴本文不作研究。

剪切型空化噴嘴是最常見的，其噴嘴結構如圖1所示。在水下時高速流體與低速流體因不同的速度進而產生剪切層和漩渦。漩渦在中心地區壓力低會容易產生空化現象，從而形成空化射流。

圖1 剪切型噴嘴

振蕩型空化噴嘴。常見的振蕩型空化噴嘴主要分為兩種:風琴管結構空化噴嘴，其結構如圖2所示；自激振蕩脈沖空化噴嘴，隨著亥姆霍茲空化噴嘴的發展與完善產生了自激振蕩脈沖空化噴嘴，其結構如圖3所示。振蕩型空化噴嘴的工作原理是當高壓水射流經過諧振腔時，由于通道變小導致出現壓力波，然后此波會向入口反射，由于不斷的進行反射會引起駐波的產生。如果設計的噴嘴結構尺寸恰到好處，當駐波頻率與諧振腔固有頻率相同時，將會共振使得空化效果更加強烈，進而可以更好地進行清洗作業。

圖2 風琴管空化噴嘴 圖3 自激振蕩脈沖空化噴嘴

2 噴嘴模型建立及網格劃分

由于研究的三種噴嘴結構都為對稱旋轉體，則可將復雜的三維模型簡化成簡單的二維模型進行仿真分析。因為本文所研究的噴嘴結構不太復雜，所以二維模型通過 ANSYS軟件自帶的畫圖模塊建立。本文主要為了觀察外流場的空泡體積分數來判斷不同結構噴嘴空化效果，因此必須添加外流場。由于二維模型依然是軸對稱結構，我們只需要對其一半進行有限元分析，便可得到需要的結果，在最后查看分析結果時可以設置呈現整體的結果云圖。為了可以明顯對比出哪種噴嘴結構的空化射流效果更好，添加大小相同的外流場。然后對物理模型的邊界命名，包括壓力入口、壓力出口、墻壁、對稱邊界，最后對模型進行網格劃分，如圖4所示為三種噴嘴有限元模型。

圖4 三種噴嘴有限元模型

如圖5所示，可以看出三種有限元模型的平均質量大于0.99，非常接近于1，網格質量滿足仿真需求。

圖5 網格質量

2.1 多相流模型

如表1所示，對不同種多相流模型特點進行描述，選擇Mixture多相流模型。

表1 三種多相流模型的特點

2.2 湍流模型

根據空化射流本身的特性并結合表2，本文選用Realizablek-ε作為空化仿真的湍流模型。

表2 三種湍流模型的特點

其控制方程如下：

K方程為：

(1)

ε方程為：

(2)

C2=1.9;σk=1.0;σε=1.2。

2.3 材料設計

添加water-liquid材料，其密度為ρ=1000 kg/m3，黏度為μ=0.001 kg/(m·s)，添加water-vapor，其密度為ρ=0.02558 kg/m3，黏度為μ=1.26e-6 kg/(m·s)。

給主相賦予water-liquid材料，第二相賦予water-vapor材料，為了準確描述空化過程中的相變過程，需要在Phase Interactions中選擇Schnerr-Sauer 空化模型。

(3)

其中：me是蒸發率；mcond是凝結率。

(4)

(5)

通常情況下Fe=50，Fcond=0.01，RB=1.0×10-6m，αnuc=5×10-4。

2.4 壓力設置

設置模型的進口總壓力都為30 MPa，靜壓力為0，出口壓力為標準大氣壓。

根據工程應用水射流，有流速與入口壓力簡化關系式：

(6)

其中：V為入口流體速度(m/s)；P為入口壓力(MPa)

由公式(6)可通過入口壓力計算得出射流的速度。如圖6所示為三種不同噴嘴在不同入口壓力條件下的噴嘴入口水射流速度理論值與數值仿真理論值對比。可以看到，理論計算結果與數值預測結果幾乎一致，因此仿真結果的可信度高。

圖6 仿真預測與理論計算的射流速度對比圖

同時，如圖7所示為入口壓力為30 MPa 條件下從噴嘴入口到流場最右邊的流體速度曲線。由圖7可以看出，三種噴嘴流體速度的最高速度都在245 m/s左右，當空化射流從噴嘴流出后會迅速與靜止的流體接觸，其速度會明顯下降，直到流體速度消失為止。這也在圖7中明顯的反映了出來，三個噴嘴的流體速度在0.03 m左右處都為0，這也證明該數值仿真的結果可靠。

圖7 噴嘴沿對稱面的流體速度分布曲線

3 仿真結果與分析

空泡體積分數云圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 風琴管空化噴嘴空泡體積云圖

在空化射流過程中，作用在被清洗表面的作用力與產生的空泡有直接關系，因此可以通過數值仿真計算的空泡體積分數云圖分析空化噴嘴結構的性能。由上面三個不同噴嘴的空泡體積云圖可以看出自激振蕩脈沖空化噴嘴、剪切型噴嘴、風琴管空化噴嘴的空泡體積分數最高分別達到了0.988、0.967、0.963。對比可以得出自激振蕩脈沖空化噴嘴空泡體積分數最高值最大，說明其空化效果最好，也可以通過云圖直觀地看出自激振蕩脈沖空化噴嘴產生氣泡的區域最大，因此得出自激振蕩脈沖空化噴嘴清洗效果最好。

4 結論

本文利用流體力學模擬軟件FLUENT對噴嘴結構進行流體仿真，模擬出了空化噴嘴內部和外部流場的空泡體積情況。通過設置相同的參數和大小相同的外流場區域，來對比三種不同結構噴嘴的空泡體積云圖，最后得出自激振蕩脈沖空化噴嘴的空化效果最佳。