姚立明，趙 怡，李大尉，裴 禹，姚鴻賓，趙孟石

(1．黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020;

2．哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;

3．哈爾濱對俄高端技術(shù)轉(zhuǎn)移孵化中心，黑龍江 哈爾濱 150020)

早在50 年代，前蘇聯(lián)、中國和美國就開始利用低壓大流量水射流進(jìn)行水力采煤試驗(yàn)和應(yīng)用，并對連續(xù)射流進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和理論研究。此后，發(fā)達(dá)國家逐漸將射流技術(shù)推廣到其他工業(yè)領(lǐng)域［1］。至80 年代，射流技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)切割、石油鉆井、化工清洗等行業(yè)中。

現(xiàn)今美國飛機(jī)制造、汽車制造和建筑公司沒有不用水切技術(shù)的。在我國，噴射鉆井技術(shù)被石油部指定為普及推廣的新技術(shù)。而在美國清洗業(yè)中，石油化工企業(yè)的換熱設(shè)備有80%都采用高壓水射流清洗。

毫無疑問，當(dāng)今水射流技術(shù)以其效率高，能耗少，改善工作環(huán)境等特點(diǎn)，日益受到人們的重視。隨著研究與實(shí)踐的進(jìn)一步深入，許多新型高效射流技術(shù)相繼出現(xiàn)，如磨料射流、高分子減阻射流及空化射流［2］，它們更促進(jìn)了水射流技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在這些新型射流中，空化射流是其中比較典型的高效射流，它以其在清洗、切割方面的高效率，特別是在淹沒條件下對石油鉆井、水下清洗及切割的潛在優(yōu)勢，深受研究人員的青睞。

Johnson 和Kohl 等人將空化作用引入水射流技術(shù)領(lǐng)域［3］，創(chuàng)造了新型的空化水射流。因?yàn)榭栈淞髟谙嗤膲毫土魉傧?，其清洗?］、切割［5］等效果遠(yuǎn)優(yōu)于非空化射流，所以空化射流被廣泛應(yīng)用。為了更加有效地產(chǎn)生空化［6］，國內(nèi)外學(xué)者研究開發(fā)了多種型式的空化水射流噴嘴。旋轉(zhuǎn)葉片式空化噴嘴、中心體噴嘴、錐形噴嘴等形狀的噴嘴相繼被用來產(chǎn)生空化射流。本文是對錐形噴嘴和收縮管形噴嘴及擴(kuò)散形噴嘴的空化射流進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了空化射流噴嘴出口流道形狀對空化射流空化效果的影響。

本文根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件建立物理和數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。

主要參數(shù):高壓泵的流量25 L/min，泵出口壓力60 MPa。

1 數(shù)學(xué)模型

空泡流動主要為湍流運(yùn)動［7］，本文采用RNG k－ε模型［8］，壓力梯度采用Standard 格式離散，動量方程和湍流輸運(yùn)方程采用一階迎風(fēng)格式，壓力－速度耦合采用SIMPLEC 算法。研究基于Mixture 多相流模型，并結(jié)合輸運(yùn)方程，通過求解混合介質(zhì)的RANS 方程、RNG k－ε 湍流方程和各相的連續(xù)性方程，用相同的條件模擬四種空化噴嘴出口射流空化，分析了空化噴嘴形狀［9－11］對空化效果的重要影響。

2 物理模型與邊界條件

2．1 物理模型

噴嘴采用軸對稱結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，圖中所示的各具體參數(shù)如下:圓柱段直徑取值取決于系統(tǒng)工作壓力和流量，此處取值d=1 mm，噴嘴入口直徑D=6 mm，錐形和角形收縮角取公認(rèn)的最佳值2α =13.5°，收縮段長度b=5 mm，圓柱段長度l =4 mm，含擴(kuò)張段的擴(kuò)張段長度L =4 mm，擴(kuò)張角取公認(rèn)的最佳值θ=30°。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸圖

2．2 邊界條件

采用壓力入口作為兩個(gè)入口邊界條件，位置如圖2，噴嘴入口1 總壓為60 MPa，表壓為59．8 MPa，流場入口2 總壓為101 325 Pa，表壓為100 825 Pa，出口邊界條件為壓力出口，表壓為0．1 MPa。固體壁面條件滿足無滑移條件，近壁區(qū)采用壁面函數(shù)法處理。

圖2 邊界位置圖

2．3 網(wǎng)格劃分

對噴嘴和流場區(qū)域建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

2．4 結(jié)果分析

2．4．1 速度分布

圖3 噴嘴及流場網(wǎng)格劃分

速度分布如圖4 所示，分別對比(a)(b)和(c)(d)圖，可以發(fā)現(xiàn)含擴(kuò)張段的角形空化噴嘴比錐形噴嘴(收縮－擴(kuò)張形噴嘴比收縮形噴嘴)出口速度最大值大，并且速度影響區(qū)域更大，見表1，速度影響區(qū)域的大小是軸向上速度值大于50 m/s 的距離。通過對擴(kuò)張段的角形噴嘴和收縮－擴(kuò)張形噴嘴對比分析可以發(fā)現(xiàn)，由于空化射流經(jīng)過擴(kuò)張段使空化射流保持最大等速核區(qū)更大。

表1 噴嘴形狀對速度的影響

圖4 流場速度圖

圖5 為軸線的速度曲線圖，從圖中可以看出兩種形狀的噴嘴在x =0 m 處的速度都為16．7 m/s。隨噴射距離x 的逐漸增大軸線上的速度在收縮段迅速增加，直到達(dá)到圓柱段x =0．007 m 處，速度基本穩(wěn)定達(dá)到最大值。錐形噴嘴產(chǎn)生的空化射流經(jīng)過圓柱段保持速度穩(wěn)定至x =0．02 m 左右，然后速度開始急速下降;角形噴嘴的空化射流經(jīng)過擴(kuò)張段后速度達(dá)到最大的區(qū)域更長，約在x=0．025 m 處速度有下降的小幅波動，之后隨噴射距離x 的逐漸增大速度還有幾次波動。出現(xiàn)速度波動的原因是由于“頸縮”現(xiàn)象，如圖6 所示，由于空化產(chǎn)生氣體，又因?yàn)閲娮斐隹谛螤钍菙U(kuò)張形，所以噴嘴出口壓力相對與外界流場而言壓力較低，由于壓差的影響，外界流體向噴嘴內(nèi)流動，流體產(chǎn)生了y 方向的速度，由于空化產(chǎn)生氣泡越多體積越大，氣泡內(nèi)壓力增加但又受到外界流場的影響，從而產(chǎn)生了“頸縮”現(xiàn)象。

圖5 錐形、角形噴嘴軸線上速度分布圖

圖6 角形噴嘴流線圖

2．4．2 氣相體積分布

圖7 和圖8 分別為四種噴嘴產(chǎn)生的空化射流氣相體積云圖和中軸線氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖。可以看出，射流經(jīng)過圓柱段后均產(chǎn)生不同程度的空化現(xiàn)象。在噴嘴外部，隨著噴射距離的增大，氣體體積分?jǐn)?shù)有逐漸減弱的趨勢。從圖7 中可以看出，角形噴嘴出口空泡體積分?jǐn)?shù)及體積遠(yuǎn)大于錐形噴嘴;錐形噴嘴和收縮形噴嘴的空化效果較差，僅在出口處和圓柱段有小部分空化。從圖8 中可以明確的看出不含擴(kuò)張段的噴嘴中軸線上氣體體積分?jǐn)?shù)均為0。相反，含擴(kuò)張段的噴嘴在擴(kuò)張段開始處的含氣量迅速增大，角形噴嘴軸線上最大的氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.85。軸線上在x =0．035 m 到x =0．04 m 處的氣相體積分?jǐn)?shù)為0，是由于“頸縮”現(xiàn)象導(dǎo)致的，這與圖7(b)一致。收縮－擴(kuò)張形噴嘴最大氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.67，在x =0．028 5 m 后氣相體積分?jǐn)?shù)為0。形成空化泡的長度約為0．017 m。

圖7 氣相體積分?jǐn)?shù)圖

圖8 中，當(dāng)氣相體積分?jǐn)?shù)(含氣率)大于0．5 時(shí)認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到較好的空化效果，角形噴嘴空泡軸線上的長度為0．01 m，收縮—擴(kuò)張形噴嘴空泡軸線上的長度為0．007 5 m。

在距離噴嘴出口外5 mm 處取一條與軸線垂直長度為4 mm 的線段，line －1 兩端點(diǎn)的坐標(biāo)為(20，0)、(20，4)。圖9 和10 分別顯示line －1 上速度、氣相體積分?jǐn)?shù)情況。

從圖中可以看出角形噴嘴產(chǎn)生的射流在line －1 上的速度和氣相體積分?jǐn)?shù)比收縮－擴(kuò)張形的大。氣相體積分?jǐn)?shù)大于0． 5 時(shí)，角形噴嘴空泡寬度為0．004 m，收縮—擴(kuò)張形噴嘴空泡寬度為0．001 2 m，說明角形噴嘴產(chǎn)生的空泡更寬，空泡內(nèi)速度也更大。所以，相同尺寸條件下，角形噴嘴產(chǎn)生空化效果更好。

圖8 空化噴嘴中軸線氣相體積分布圖

圖9 line－1 上速度分布圖

圖10 line－1 上氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖

3 總結(jié)

采用CFD 軟件Fluent，基于Mixture 多相流模型，湍流輸運(yùn)方程和各相的連續(xù)性方程，數(shù)值模擬了不同形狀空化噴嘴的空化射流現(xiàn)象。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，噴嘴外部的空化泡分布為軸對稱的放射狀分布，在水的粘性力和反向壓差的作用下，使射流邊界聚集著大量的漩渦，如果渦心的壓力低于水的飽和蒸汽壓力，將會出現(xiàn)空泡的初生。相比之下含擴(kuò)張段的噴嘴比不含擴(kuò)張段的噴嘴射流的空化泡長，空化效果好，由于空泡破滅時(shí)產(chǎn)生巨大能量，使得空化射流在破碎清洗方面的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通連續(xù)水射流。由于角形噴嘴出口段擴(kuò)散角的作用，加劇了射流和周圍液體間的剪切效果，更加適合于空化的產(chǎn)生。所以含擴(kuò)張段的噴嘴優(yōu)于不含擴(kuò)張段的噴嘴。

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