于蘭英，朱博垚，柯 堅，王國志，吳文海

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

0 引言

利用高壓水對接觸網(wǎng)絕緣子進(jìn)行定期沖洗是避免鐵路接觸網(wǎng)絕緣子污穢閃絡(luò)的有效措施。KJ系列電氣化鐵道絕緣子帶電水沖洗裝置利用列車運行間隙實現(xiàn)帶電沖洗作業(yè)，極大提高了工作效率，大幅減低了勞動強(qiáng)度。噴嘴的結(jié)構(gòu)直接影響了沖洗效果。噴嘴要求水柱核心段長，水流出噴嘴后不散射，減少水流的湍流強(qiáng)度，從而提高沖洗打擊力。

炮桿是對噴嘴進(jìn)行安裝固定的連接件，由于前端彎頭比較多，炮桿也是水介質(zhì)整流的重要裝置。本文以水沖洗裝置用炮桿為對象，研究帶整流管炮桿對水射流湍流強(qiáng)度的影響。

1 炮桿結(jié)構(gòu)

炮桿前端與噴嘴相連，后端與水管相連，結(jié)構(gòu)如圖1所示。普通炮桿和帶整流管炮桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 噴嘴整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 炮桿結(jié)構(gòu)圖

圓管中的層流可視為許多無限薄的同心圓筒層;整流管就是許多金屬薄壁管點焊在一起的筒層。

2 仿真建模

2.1 網(wǎng)格劃分

使用Fluent前置處理軟件gambit建立整流管噴嘴的內(nèi)外部流場的3D模型，噴嘴外部流場長700 mm，如圖3所示。以噴嘴右邊端面中心為原點，Z軸正方向為流體射入方向。

圖3 噴嘴網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件設(shè)置

仿真采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型。

1)噴嘴介質(zhì)為普通自來水，密度為998 kg/m3，粘度1.003×10-3Pas?？諝饷芏?.225 kg/m3，粘度1.789×10-5Pas;

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

3)湍流參數(shù)選擇為湍流強(qiáng)度和水力直徑。其中湍流強(qiáng)度可以用下面的公式來估算:

I=0.16(ReDH)-1/8

式中，Re是雷諾系數(shù)，下標(biāo)DH是水力直徑，它等于4倍的流通面積比上濕潤周長;

4)固體壁面無滑移，射流速度垂直于入口。

3 結(jié)果與分析

3.1 整流管數(shù)量對噴嘴射流的影響

選取整流管數(shù)量分別為9根和12根的炮桿噴嘴與普通炮桿連接的噴嘴進(jìn)行對比。整流管長度為300 mm，進(jìn)口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓;計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 整流管數(shù)量對速度的影響

由圖4可知，流體經(jīng)收縮段后速度急劇增加，流體離開噴嘴后，隨著流體距出口距離的增加，流體在軸線上速度開始緩慢減小。整流管炮桿對流體速度有較大增大，其中12根整流管炮桿噴嘴的射流速度最大，普通炮桿噴嘴的速度最小。表1為普通炮桿噴嘴和整流管炮桿噴嘴在噴嘴出口和距離噴嘴出口700 mm處軸心速度的對比。

表1 軸心線上速度對比

由表1可知，由于整流管的整流作用，減小了流體的能量損失，使流體速度減小變緩:12根整流管噴嘴流體的速度減小率為1.94%，而普通炮桿噴嘴的射流速度減小率為3.15%。

圖5為不同數(shù)量整流管噴嘴的軸心線上湍流強(qiáng)度曲線。加入12根整流管的炮桿流體從噴嘴入口端開始湍流強(qiáng)度有明顯的下降，整流效果明顯，9根整流管炮桿的噴嘴在噴嘴出口300 mm～700 mm處整流效果較好，而700 mm后12根整流管炮桿噴嘴的整流效果較好。

由圖6可知，整流管炮桿噴嘴能增加流體動壓，整流管數(shù)量越多，射流動壓越大。其中12根整流管噴嘴流體的動壓較大，水射流射程更遠(yuǎn)。

圖5 整流管數(shù)量對湍流度的影響

圖6 整流管數(shù)量對動壓的影響

圖7 整流管長度對速度的影響

3.2 整流管長度對噴嘴射流的影響

由3.1可知，整流管對流體有較好的整流作用，增大了流體速度并且增加了射程。保持進(jìn)口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓，整流管數(shù)取12根，炮桿前端長度不變，對整流管長度分別取200 mm、250 mm、300 mm和350 mm。圖7為不同整流管長度炮桿噴嘴的速度分布圖。

表2 不同整流管長度的速度對比

由表2可以看出，當(dāng)整流管長度不同時，在軸心方向噴嘴出口和距離噴嘴出口700 mm處速度差別較小，其中300 mm長時速度略大。

由圖8可以看出，不同長度整流管炮桿的噴嘴軸心線上湍流強(qiáng)度隨著長度的增加而減小，若要降低射流的湍流度，可以在設(shè)備尺寸允許的情況下適當(dāng)增長整流管長度。

圖8 整流管長度對湍流度的影響

由圖9可知，水射流流體的動壓基本一致，其中300 mm長時動壓較大，表明整流管的長度對水射流的影響較小。

圖9 整流管長度對湍流度的影響

3.3 整流管形狀對噴嘴射流的影響

保持進(jìn)口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓，整流管數(shù)量12根，取整流管長度為實際應(yīng)用中的300 mm，對整流管形狀分別取圓柱體和六面體。圖10為不同形狀整流管炮桿噴嘴的速度分布。

圖10 整流管形狀對速度的影響

圖11 整流管形狀對湍流度的影響

圖12 整流管形狀對動壓的影響

由圖10可知，圓柱體形狀的整流管炮桿的噴嘴射流速度更大。

由圖11可知，流體在噴嘴內(nèi)湍流度變化不大，但是在噴嘴出口處六面體形狀的整流管炮桿噴嘴湍流度增大較快，在噴嘴出口700 mm處兩種噴嘴的流體湍流度基本一致。

由圖12可知，圓柱體形狀的整流管炮桿的噴嘴動壓更大，流體射程更遠(yuǎn)。

4 結(jié)論

1)整流管炮桿的噴嘴具有提高軸心線上流體速度、減小流體湍流強(qiáng)度的效果，從而提高有效射程。

2)炮桿中整流管長度對噴嘴軸心線上速度和動壓影響較小，但對噴嘴軸心線上湍流強(qiáng)度影響較明顯，長度越長整流效果越好。

3)炮桿中整流管的形狀對流體的速度、湍流度和動壓均有較小影響，其中圓柱體形狀的整流管炮桿射流效果較好。

4)對于討論的噴嘴，整流管數(shù)量為12根，長度為300 mm，整流管形狀為圓柱體時整流效果最好。

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