劉桓龍，尹久紅，秦劍，王國志，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

低壓自激振動空化噴嘴射流特性研究

劉桓龍，尹久紅，秦劍，王國志，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

自激振動噴嘴兼有空化射流和脈沖射流的雙重優(yōu)點(diǎn)，利用FLUENT對噴嘴進(jìn)行射流特性計(jì)算，優(yōu)化得到適合于低壓水沖洗系統(tǒng)的自激振動噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的低壓自激振動噴嘴可以產(chǎn)生空化射流效果，當(dāng)出口直徑d=3 mm、諧振腔長度L=6.3 mm、錐角θ=30°時，噴嘴空化發(fā)展速度快，適宜于近距離空化清洗;錐角θ=60°時，空化效應(yīng)發(fā)展較慢，射程相對較遠(yuǎn)，適宜于遠(yuǎn)距離的空化清洗。研究結(jié)果為低壓自激振動空化噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

低壓射流;噴嘴;自激振動;空化;射程

自激振動空化射流是20世紀(jì)80年代初根據(jù)瞬態(tài)流理論和水聲學(xué)原理發(fā)展起來的一種新型射流方式［1－2］，因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗水量低而又兼有空化射流和脈沖射流的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛運(yùn)用于煤礦、鉆井、巖石破碎、船舶清洗等各個領(lǐng)域。

為了更加有效地產(chǎn)生空化射流，國內(nèi)外學(xué)者對自激振動空化噴嘴作了大量的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算，學(xué)者們得出了適合于高壓射流的噴嘴具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是對于適合于低壓流體的噴嘴，目前還研究較少，特別是通過CFD軟件進(jìn)行噴嘴仿真分析，更是少之又少。文中根據(jù)作者所在單位的低壓水沖洗系統(tǒng)的具體參數(shù)，理論分析設(shè)計(jì)出適合的自激振動噴嘴，并對其進(jìn)行CFD仿真分析，比較研究各個參數(shù)對射流性能的影響，從而得出低壓自激振動噴嘴的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 噴嘴物理模型

自激振動空化噴嘴基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓自激振動空化噴嘴

由圖1可知自激振動空化噴嘴主要由噴嘴入口腔、噴嘴諧振腔、噴嘴出口腔這三大部分組成。當(dāng)有穩(wěn)定的流體從噴嘴的入口腔1流入時，入口收縮截面和出口收縮截面均會產(chǎn)生初始的壓力激勵，而出口收縮截面更能將壓力激勵反饋回諧振腔2，形成壓力振蕩［3］。根據(jù)瞬態(tài)學(xué)理論和水聲學(xué)原理可知，當(dāng)通過出口收縮截面反饋回來的壓力振蕩頻率與噴嘴的固有頻率相匹配形成共振時，反饋的壓力就會得到放大，從而形成駐波，使噴嘴具有脈沖射流的性能，在打擊面上形成水錘效應(yīng)和應(yīng)力波發(fā)射效應(yīng)。而在噴嘴出口處射流由原來的連續(xù)射流變?yōu)閿嗬m(xù)渦環(huán)流［4］，也進(jìn)一步加強(qiáng)了射流的空化和清洗能力。

2 仿真建模

2.1 網(wǎng)格劃分

為便于觀察結(jié)果，運(yùn)用Gambit建立3D模型。為了觀察流體經(jīng)噴嘴后的射流特性，建立一個直徑為100 mm，長度為600 mm的圓柱形流場，模型如圖2所示。

圖2 噴嘴Gambit 3D模型

噴嘴內(nèi)部涉及到氣體和液體的兩相混合流，仿真過程中采用歐拉多相流模型。射流流場是高雷諾數(shù)狀態(tài)，采用Fluent軟件中的RNG κ－ε湍流模型。射流系統(tǒng)壓力為1.3 MPa，流量為1 m3/h，通過理論計(jì)算［5］可得最佳噴嘴直徑d=3 mm。

2.2 仿真主要條件設(shè)置

(1)噴嘴液體為普通自來水，密度為998 kg/m3，黏度為1.003×10－3Pa·s，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10－5Pa·s。

(2)入口邊界條件為壓力入口邊界。出口邊界為壓力出口邊界，0 MPa(即大氣壓)。

(3)湍流參數(shù)選擇湍流強(qiáng)度與水力直徑。

(4)固體壁面無滑移，射流速度垂直入口邊界。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 噴嘴出口直徑對射流特性的影響

為了便于仿真比較，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，增設(shè)了d=2 mm和d=4 mm兩種噴嘴。圖3為3種不同出口直徑下噴嘴內(nèi)部的速度矢量圖。

圖3 不同出口直徑下噴嘴內(nèi)部速度矢量圖

圖4 不同出口直徑下噴嘴軸心速度曲線

由圖3可以看出流體在噴嘴內(nèi)部進(jìn)口處速度較小，在噴嘴內(nèi)部加速后在出口圓柱段處速度達(dá)到最大值。在諧振腔內(nèi)，中間速度明顯大于靠近壁面的速度，出口收縮截面附近處的速度明顯大于入口收縮截面附近處的速度，這種噴嘴內(nèi)部流速不均勻的現(xiàn)象為空化泡的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。對比不同噴嘴直徑的速度矢量圖，可以明顯看出當(dāng)噴嘴出口直徑d=3 mm時，噴嘴內(nèi)部流速不均勻的程度較其他兩組直徑大，其次是d=4 mm的噴嘴，最后是d=2 mm的噴嘴。噴嘴軸心的速度沿射程的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)水流在壓力的激勵下通過噴嘴入口進(jìn)入到噴嘴內(nèi)部時，在噴嘴內(nèi)部速度會急劇增加，在出口圓柱段處達(dá)到最大值。當(dāng)水流脫離噴嘴后，會與周圍大氣發(fā)生剪切作用而進(jìn)行能量交換，速度會有一定的回落，而當(dāng)回落到一定值后，速度就保持著這個穩(wěn)定值一定距離，最后隨著距離的增加速度因射流能量的損失而又繼續(xù)降低。

圖5 不同出口直徑下噴嘴軸心含水量曲線

噴嘴軸心的含水量與噴射距離的關(guān)系如圖5所示，可以看出隨著射流距離的增加，噴嘴軸心處的含水量急劇減少，這說明經(jīng)過此種結(jié)構(gòu)的噴嘴較好的發(fā)生了空化作用［6］。由圖5可知當(dāng)自激振動噴嘴出口直徑d=3 mm時，空化效果最好，其次是d=4 mm的噴嘴，最差是d=2 mm的噴嘴。

3.2 噴嘴諧振腔長度對射流特性的影響

影響自激振動噴嘴射流主要因素有出口直徑d和諧振腔的長度L［7］，保持噴嘴出口直徑d=3 mm，泵的工作壓力不變，對L/d取L/d=2.1、L/d=4.2、L/d=6.3分別進(jìn)行仿真模擬，流場壓力分布如圖6所示。

從圖6可以看出在3組不同的L/d比值下的噴嘴內(nèi)部壓力變化趨勢幾乎一致，并且都在后部出口出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)。這說明3種噴嘴均會發(fā)生空化效應(yīng)，而當(dāng)L/d=2.1的噴嘴較其他兩種具有相對較優(yōu)的空化射流效果，最小負(fù)壓值為－1.85×105Pa。噴嘴軸心速度和含水量隨噴射距離的變化關(guān)系如圖7所示。

圖6 不同L/d比值下噴嘴壓力云圖

圖7 不同L/d比值下噴嘴軸心曲線

由圖7可知，不同的L/d對噴嘴軸心影響不大，而由于重力的影響使得經(jīng)過自激振動噴嘴射流出來的水柱向下偏移，從而使得在軸心位置含水量急劇減少。經(jīng)過噴嘴射流后在距噴嘴出口600 mm處的含水量曲線如圖8所示。

圖8 距離噴嘴出口600 mm處含水量曲線

由圖8可知，在不同的L/d下，L/d=2.1的噴嘴含水量高于其它兩組噴嘴，而L/d=4.2和L/d= 6.3的兩組噴嘴則含水量變化不大。對于不同的L/d比值，y軸上的含水量均遠(yuǎn)高于其對應(yīng)的x軸上的含水量，而y軸上的速度也高于x軸。這都進(jìn)一步說明了在重力的影響下，經(jīng)過自激振動噴嘴射流出的流體受到重力的影響有下移的現(xiàn)象。噴嘴射流動壓關(guān)系如圖9所示。

圖9 距離噴嘴600 mm處y軸動壓曲線

由圖9可知，對于不同噴嘴的L/d值，y軸的動壓曲線和含水量曲線的變化區(qū)域一致。而當(dāng)L/d= 2.1時，經(jīng)過自激振動噴嘴噴射出來的流體具有較大的動壓，見表1。

表1 不同L/d比值下的最大動壓值

3.3 噴嘴諧振腔出口錐角對射流特性的影響

影響自激振動噴嘴的兩個主要因素是噴嘴諧振腔出口直徑和諧振腔的長度，但是諧振腔出口腔錐角對流體振蕩強(qiáng)度也有一定的影響［8］。為了研究這種影響因素，對出口錐度θ取30°、45°、60°和90°分別進(jìn)行仿真模擬，流場速度分布如圖10所示。

圖10 不同θ時噴嘴內(nèi)部的速度矢量圖

由圖10可知，當(dāng)增設(shè)錐角時噴嘴內(nèi)部速度矢量線段在有尖角的區(qū)域內(nèi)最短，這表明在自激振動噴嘴出口截面處增設(shè)一定的錐角，可以使得噴嘴內(nèi)部流速不均勻程度增加，從而增加噴嘴的空化效應(yīng)。不同錐角噴嘴的軸心速度和含水量分布如圖11所示。

圖11 不同θ下噴嘴軸心曲線

由圖11(a)可知當(dāng)θ不同時，距離噴嘴出口約380 mm范圍內(nèi)噴嘴軸心的速度曲線變化幾乎一致。隨著距離的增加，θ=45°和60°時噴嘴在軸心處速度的衰減率最低，等速核長度增加，對中性能好。其中諧振腔出口腔錐角為60°時速度最大，其次為45°、90°，速度最小為30°。由圖11(b)可以看出4種噴嘴均不同程度的發(fā)生了空化效應(yīng)，射流流體中空氣的體積分?jǐn)?shù)均在不斷的增加，當(dāng)θ=60°時軸心上的含水量衰減最慢，30°時衰減最快。表2為噴嘴在出口處和距離出口600 mm處軸心的速度和軸心含水量的比較。

表2 不同出口錐角噴嘴軸心的速度和含水量

經(jīng)過不同錐角的噴嘴射流后含水量隨噴射距離的關(guān)系如圖12所示。由圖12可知，在距離噴嘴出口100 mm處θ=30°的噴嘴空化效果好，而其他3種噴嘴僅在流體的外緣部分與周圍空氣發(fā)生剪切作用而產(chǎn)生局部空化現(xiàn)象，中心處幾乎沒有發(fā)生空化。而在距離噴嘴出口600 mm處時所有的噴嘴均出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。

圖12 經(jīng)過噴嘴射流后的含水量曲線

由圖12(b)可知當(dāng)噴射距離較遠(yuǎn)，錐角θ由60°到30°遞減時，含水量曲線明顯向y軸負(fù)方向移動，即向地面方向傾斜，反應(yīng)在能量上就是噴射能量逐漸降低。當(dāng)射流距離約小于300 mm時，θ=30°的噴嘴射流對壁面的打擊壓力最高。當(dāng)射流距離大于300 mm時，θ=30°的噴嘴射流壓力急劇降低，此時噴嘴出口腔錐角θ=60°的噴嘴射流打擊壓力最高，如圖13所示。

圖13 射流柱對右端面的打擊壓力

4 結(jié)論

利用CFD軟件對低壓自激振動噴嘴進(jìn)行了模擬仿真，通過對噴嘴不同的出口直徑和諧振腔長度、諧振腔出口腔錐角進(jìn)行了對比，分析了各自對射流特性的影響，得到結(jié)論如下:

(1)出口直徑d=3 mm、諧振腔長度L=6.3 mm時，自激振動噴嘴具有較好的射流特性，而大于最佳射流直徑的噴嘴空化效果比小于最佳噴嘴直徑的噴嘴好;

(2)改變噴嘴諧振腔出口腔錐角能使噴嘴諧振腔內(nèi)部速度不均勻程度增加，提高噴嘴內(nèi)部的最大負(fù)壓值，增強(qiáng)空化效果;

(3)當(dāng)諧振腔出口壁面錐角θ=30°時，經(jīng)過噴嘴的流體在距離噴嘴出口較近范圍內(nèi)有著較好的空化效果，適合于近距離清洗;而θ=60°的噴嘴氣泡成長、潰滅過程緩慢，在較遠(yuǎn)處沖洗壓力高，適合于較遠(yuǎn)距離的空化清洗。

【1】JOHNSON V E，CONN A F，LINDENMULH W T，et al.Selfresonating Cavitating Jets.In:STEPHENS H S，DAVIES E B ed.Papers Presented at the 6thInternational Symposium on Jet Cutting Technology［C］.England，6－8 April，1982:1－26.

【2】方湄，徐曉東，莊蕾.自激振蕩脈沖射流粉碎顆粒的理論和實(shí)驗(yàn)研究［C］.第五屆全國噴射技術(shù)會議論文集，2008(8): 78－82.

【3】王萍輝.自激振動空化射流清洗效果實(shí)驗(yàn)研究［J］.礦山機(jī)械，2009(2):16－21.

【4】沈忠厚.水射流理論與技術(shù)［M］.東營:石油大學(xué)出版社，1993.

【5】王萍輝，朱單，馬飛.自激振動空化噴嘴的仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2009(5):53－55.

【6】管金發(fā)，鄧松圣，郭廣東，等.空化射流角型噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(12):46－50.

【7】JYOTI K K，PANDIT A B.Water Disinfection by Acoustic and Hydrodynamic Cavitation［J］.Biochemical Engineering Journal，2001(3):201－202.

【8】王樂勤，王循明，徐如良，等.低壓大流量自激振蕩脈沖射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究［J］.流體機(jī)械，2004(32):7－10.

Study of Characteristics of Low Pressure Self-resonating Cavitating Jet Nozzles

LIU Huanlong，YIN Jiuhong，QIN Jian，WANG Guozhi，KE Jian
(Mechanical Engineering School，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The self-resonating nozzle has the double advantage of cavitating jet and pulsed jet nozzle.The characteristics of jet nozzle were calculated by using FLUENT software，and the structural parameters of self-resonating nozzle suitable for the low pressure insulator water washing system were obtained.The results show that the effect of cavitating jet nozzles can be produced by the designed self-resonating nozzles.When the outlet diameter d=3 mm，the length of resonant cavity L=6.3 mm，the cone angle θ=30°，the self-resonating nozzle cavitating development speed is fast，suitable for short distance cavitating washing.While θ=60°，the effect of cavitating development is slow and the jet rang is relatively far，suitable for long distance cavitating washing.The study result provides reference for structural design of the low pressure self-resonating cavitating jet nozzles.

Low pressure jet;Nozzle;Self-resonating;Cavitating;Range

TH137

A

1001－3881(2014)7－048－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.07.013

2013－03－07

劉桓龍 (1977—)，男，副教授，主要從事流體傳動及控制的教學(xué)與水質(zhì)驅(qū)動技術(shù)的研究工作。E－mail: 329749881@qq.com。