， ， ，

(1.太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 山西 太原　030024; 2.廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 茂名　525000)

引言

噴嘴作為噴射槍結(jié)構(gòu)清洗機(jī)的直接執(zhí)行部件，它將水流的壓力能轉(zhuǎn)換成高度密集的水射流，進(jìn)而完成清洗油罐的目的。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)：研究出性能良好、材料適宜又與主機(jī)匹配的的噴嘴，將極大地提高射流的效率[1]。在標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型上，運(yùn)用CFD軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的噴射槍噴嘴水射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)綜合比較軸心速度和橫向速度的大小以及變化趨勢(shì)，進(jìn)而得出最優(yōu)的噴嘴結(jié)構(gòu)。

1　流體介質(zhì)的選擇

基于同種介質(zhì)具有很好的可比性，且出于水射流清洗的工況考慮，選擇了最常用的水介質(zhì)作為被研究的流體介質(zhì)。其基本的物理參數(shù)如表1所示。

2　噴嘴流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域的建模和分析

首先，通過(guò)GAMBIT軟件對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)和外部流場(chǎng)進(jìn)行建模，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，邊界定義，并輸出用于求解器FLUENT5/6計(jì)算的格式；通過(guò)FLUENT5/6求解器對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。

表1　水的基本物理參數(shù)

2.1　物理模型以及邊界參數(shù)設(shè)置

由于噴嘴的壓力、流量和出口直徑是相互關(guān)聯(lián)的，因此，只要給出其中任意的兩個(gè)量，第三個(gè)量就會(huì)得出。在工程實(shí)際應(yīng)用中，壓力和流量通常是已知的，因此只要根據(jù)公式(1)，代入相關(guān)數(shù)據(jù)就可得到直徑的大小。所設(shè)計(jì)的噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：出口直徑d，收縮角α，圓柱段長(zhǎng)度l和出口直徑d的比值，即長(zhǎng)徑比l/d。

圖1　噴嘴的結(jié)構(gòu)

噴嘴直徑的計(jì)算公式如式(1)[2,3]：

(1)

流體以一定的壓力從入口直徑處進(jìn)入，經(jīng)過(guò)收縮段加速、圓柱段整流，以一定的速度從出口處噴射到周?chē)o止的空氣介質(zhì)中，形成非淹沒(méi)水射流。計(jì)算區(qū)域?yàn)閲娮靸?nèi)部流場(chǎng)和射流外部流場(chǎng)，考慮到計(jì)算流場(chǎng)區(qū)域?yàn)閷?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此只截取了結(jié)構(gòu)的一半，如圖2所示。

2.2　射流的數(shù)學(xué)模型

射流在噴嘴外部的流動(dòng)狀態(tài)為復(fù)雜的湍流流動(dòng)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型建立封閉的控制方程組[4-7]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程可簡(jiǎn)化如下：

(2)

式中：Gk為由于平均速度梯度而引起的湍動(dòng)能。

在FLUENT中，作為默認(rèn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92[8]，湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為：σk=1.0，σε=1.3[7]。

3　體仿真結(jié)果及其分析

3.1　圓柱形噴嘴收縮角對(duì)射流流場(chǎng)的影響

該模擬方案的噴嘴結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)為：入口壓力為0.6 MPa，出口壓力為0.1 MPa，噴嘴的入口直徑為58 mm，噴嘴的出口直徑為28 mm，進(jìn)口段的長(zhǎng)度為145 mm，長(zhǎng)徑比l/d為1.0。收縮角α分別為12°、16°、20°、30°、60°，收縮段的長(zhǎng)度隨著收縮角的變化而變化，將2者之間的關(guān)系繪制成表格，如表2所示。

表2　收縮角和收縮段長(zhǎng)度的關(guān)系

3.2　軸心速度的分析

1) 收縮段長(zhǎng)度與軸心速度的關(guān)系

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)雖然能減少數(shù)據(jù)量和提高存儲(chǔ)效率，但同時(shí)也加重了計(jì)算結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)?？紤]到存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)的性質(zhì)，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)采取不同的存儲(chǔ)方式。核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)依舊采用傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)；時(shí)效性要求高的數(shù)據(jù)則采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)或內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)大量的累積數(shù)據(jù)和無(wú)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)則采用分布式文件系統(tǒng)。

收縮段的長(zhǎng)度隨著收縮角的增大而減小，且收縮段是流體速度加速的階段，因此有必要做出不同收縮角下，收縮段位置與收縮段軸心速度的關(guān)系圖，根據(jù)仿真分析計(jì)算和結(jié)果輸出，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制成如圖3所示。

圖3　不同收縮角的收縮段長(zhǎng)度與軸心速度的關(guān)系圖

從圖3中可以總結(jié)出：收縮角越大，速度梯度越大；即：在相同的收縮段位置處，收縮角越大，軸心速度就越大；整個(gè)收縮段，軸心速度都是在不斷地增大。在剛進(jìn)入收縮段時(shí)，收縮角越大，進(jìn)口速度越大。在收縮斷面最小直徑處，收縮角越小，軸心速度越大。

2) 收縮角與出口速度度關(guān)系

在仿真計(jì)算過(guò)程中，不同收縮角與噴嘴出口速度的關(guān)系見(jiàn)表3。從上述的表格可以看出：不同收縮角α的噴嘴的出口速度都保持在34.6 m/s上下，即：仿真結(jié)果與理論計(jì)算值d=44.72p1/2[9]=34.6 m/s非常吻合。

表3　收縮角與出口速度的關(guān)系

3) 收縮角與外部流場(chǎng)軸心速度的關(guān)系

為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，確定了噴嘴的入口、出口直徑、長(zhǎng)徑比等幾個(gè)參數(shù)，但是從表3知噴嘴的收縮段隨著收縮角的變化而變化，因此噴嘴的長(zhǎng)度始終在變化，故：截取了不同收縮角噴嘴外部流場(chǎng)共有的區(qū)間段(0.3～1.0 m)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析比較，從圖4可以看出：收縮角α=12°～16°的噴嘴在射程0.3～0.5 m內(nèi)，軸心速度大小基本保持在34.6 m/s，射流具有好的集束性。α=20°～30°的噴嘴在射程0.3～0.4 m的區(qū)間內(nèi)，軸心速度也保持不變，大小為34.3 m/s，該段射流具有較高的集束性。α=30°～60°的噴嘴在0.3～0.4 m內(nèi)，速度衰減較緩慢。隨著射程的增大，收縮角α越大，噴嘴的軸心速度衰減速率也越快。在相同的射程處，收縮角α越小的噴嘴，具有越高的軸心速度。從射程遠(yuǎn)且打擊力大的角度出發(fā)，經(jīng)模擬仿真研究與分析，噴嘴的收縮角α在12°～30°具有較好的軸心速度場(chǎng)。

圖4　射流的軸心速度衰減曲線

圖5為與噴嘴中心軸線垂直的出口邊界(x=1.0 m 處)的橫向速度分布。發(fā)現(xiàn)不同收縮角α的流速分布呈現(xiàn)處相似性性質(zhì)，軸線上流速最大，距軸線越遠(yuǎn)，流速越小，但是在0.106～0.218 m的區(qū)間內(nèi)，不同收縮角α的最低速度均又有所回升，這是因?yàn)樗淞魇艿酵獠靠諝饬鲌?chǎng)的影響。收縮角α=12°～16°的噴嘴在區(qū)間0～0.106內(nèi)，速度衰減較快，而收縮角α=20°～60°的噴嘴在區(qū)間0～0.106內(nèi)，速度衰減較緩慢。從清洗面積的角度出發(fā)，經(jīng)模擬仿真分析，噴嘴的收縮角α在20°～60°有較大的清洗面積。

圖5　不同收縮角的噴嘴x=1.0 m處的橫向速度分布

綜上分析與總結(jié)可知：收縮角α=12°～30°有較好的軸心速度分布，即：較遠(yuǎn)的射程和較大的打擊力；收縮角α=20°～60°有較大的橫向速度分布，即：較大的清洗面積。出于射程、打擊力和清洗面積三方面綜合考慮，噴嘴性能最佳的收縮角α在20°～30°區(qū)間段內(nèi)。

3.3　圓柱形噴嘴長(zhǎng)徑比對(duì)射流流場(chǎng)的影響

圖6是相同射程處，不同長(zhǎng)徑比的噴嘴的軸心速度分布圖。從圖中可以看出：長(zhǎng)徑比l/d=1.0～3.0的噴嘴在區(qū)間0.3～0.4 m內(nèi)，速度保持在34.6 m/s；在區(qū)間0.4～0.5 m內(nèi)，l/d=3.0的噴嘴仍保持34.6 m/s 的高速；l/d=2.0的噴嘴速度開(kāi)始衰減，但是衰減較緩慢；l/d=1.0的噴嘴速度衰減速率較快；即：長(zhǎng)徑比越大，射流的高速區(qū)越大。隨著射程的增大，長(zhǎng)徑比越小，速度衰減的速率越快；在相同的射程處，長(zhǎng)徑比越大，射流的軸心速度越大。當(dāng)x=0.6 m，l/d=1.0，v1=28.6 m/s；l/d=2.0，v2=30.0 m/s；l/d=3，v3=31.3 m/s。通過(guò)仿真分析知：長(zhǎng)徑比在2.0～3.0的區(qū)間段內(nèi)，射流具有較好的軸心速度流場(chǎng)分布。

圖6　不同長(zhǎng)徑比的噴嘴的軸心速度分布曲線

圖7為不同長(zhǎng)徑比的噴嘴x=1.0m處的橫向速度分布，從圖中可以看出：不同長(zhǎng)徑比l/d的噴嘴的流速分布呈現(xiàn)處相似性性質(zhì)，軸線上流速最大，距軸線越遠(yuǎn)，流速越小。不同長(zhǎng)徑比的噴嘴，其橫向速度的大小、變化趨勢(shì)基本保持一致；也就是說(shuō)，不同長(zhǎng)徑比的噴嘴，對(duì)射流的橫向速度影響很小。

圖7　不同長(zhǎng)徑比的噴嘴x=1.0 m處的橫向速度分布

綜合分析可知：長(zhǎng)徑比l/d在2.0～3.0的區(qū)間內(nèi)，具有最佳的噴射性能。

4　結(jié)論

(1) 收縮角對(duì)軸心速度的影響：收縮角越小，射流的高速區(qū)越大。隨著射程的增大，收縮角α越大，噴嘴的軸心速度衰減速率也越快。在相同的射程處，收縮角α越小的噴嘴，具有越高的軸心速度。從射程遠(yuǎn)且打擊力大的角度出發(fā)，經(jīng)模擬仿真研究與分析，噴嘴的收縮角α在12°～30°具有較好的軸心速度場(chǎng)；

(2) 收縮角對(duì)橫向速度的影響：不同收縮角α的流速分布呈現(xiàn)處相似性性質(zhì)，軸線上流速最大，距軸線越遠(yuǎn)，流速越小，但是在0.106～0.218 m的區(qū)間內(nèi)，不同收縮角α的最低速度均又有所回升，這是因?yàn)樗淞魇艿酵獠靠諝饬鲌?chǎng)的影響。收縮角α=12°～16°的噴嘴在區(qū)間0～0.106內(nèi)，速度衰減較快，而收縮角α=20°～60° 的噴嘴在區(qū)間0～0.106內(nèi)，速度衰減較緩慢。從清洗面積的角度出發(fā)，經(jīng)模擬仿真分析，噴嘴的收縮角α在20°～60°有較大的清洗面積；

(3) 長(zhǎng)徑比對(duì)軸心速度的影響：長(zhǎng)徑比越大，射流的高速區(qū)越大。隨著射程的增大，長(zhǎng)徑比越小，速度衰減的速率越快。在相同的射程處，長(zhǎng)徑比越大，射流的軸心速度越大。通過(guò)仿真分析知：長(zhǎng)徑比在2.0～3.0的區(qū)間段內(nèi)，射流具有較好的軸心速度流場(chǎng)分布；

(4) 長(zhǎng)徑比對(duì)橫向速度的影響：不同長(zhǎng)徑比l/d的噴嘴的流速分布呈現(xiàn)處相似性性質(zhì)，軸線上流速最大，距軸線越遠(yuǎn)，流速越小。但是，不同長(zhǎng)徑比的噴嘴，對(duì)射流的橫向速度影響很??；

(5) 從射程遠(yuǎn)、打擊力大和清洗面積大的角度出發(fā)，收縮角α在20°～30°區(qū)間段內(nèi)、長(zhǎng)徑比l/d在2.0～3.0區(qū)間段內(nèi)，噴嘴具有最佳的噴射性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫家駿. 水射流切割技術(shù)[M]. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1992.

[2]Labus Y J. Fluid Jot Technology: Fundamentals and Applieatlon[M]. Columbia: St. Louis WJTA,1995.

[3]韓彩紅,薛勝雄,陳正文.《高壓清洗機(jī)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的解讀[J].清洗世界,2011,27(7):1-3.

[4]章梓雄,董曾南.黏性流體力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 1999.

[5]馬飛,張文明.淹沒(méi)水射流土層擴(kuò)孔方程[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 27(3): 265-271.

[6]何楓,謝峻石,楊京龍.噴嘴內(nèi)部流道型線對(duì)射流流場(chǎng)的影響[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 18(4): 114-119.

[7]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析)CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2004.

[8]KASUYA Y.Water Jet Cavitation of Submerged Horn Sharped Nozz1es [J].Proceedings of 3rd U S. Water Jet Conference, 1985, 3(10): 156-159.

[9]王洪倫,龔烈航,姚笛.高壓水切割噴嘴的研究[J].機(jī)床與液壓,2005，(4):42-43.