滿海濤，羅興柏，丁玉奎，方文改，閆青春

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.72373部隊，河南洛陽 471900）

噴嘴結構對水力空化倒藥中空化現(xiàn)象的影響研究

滿海濤1，2，羅興柏1，丁玉奎1，方文改2，閆青春2

（1.軍械工程學院，河北石家莊 050003；2.72373部隊，河南洛陽 471900）

噴嘴是產(chǎn)生空化的主要元件，研究分析噴嘴的結構對空化產(chǎn)生的影響，對提高空化作用效率具有十分重要的指導意義。為探索設計應用于倒空的噴嘴結構對空化流場的影響，本文基于FLUENT軟件，對不同結構噴嘴內外的空化流場進行仿真模擬，對比分析流場的速度、汽含率及湍動能的分布規(guī)律，分析不同噴嘴結構對空化現(xiàn)象的影響，初步選定適合裝藥倒空的噴嘴結構，為以后的倒藥試驗提供一定的理論依據(jù)。研究結果表明不同結構噴嘴都發(fā)生了明顯的空化現(xiàn)象，自激噴嘴和雙錐度噴嘴在噴嘴出口段空化現(xiàn)象明顯，具有較長的空化區(qū)域，比較適合用于水力空化技術倒空彈丸裝藥研究。

噴嘴；水力空化；仿真；倒藥

1 引 言

空化是指溫度一定，流體內部壓力降低到飽和蒸汽壓時，開始汽化，發(fā)生空化泡初生、膨脹、收縮及潰滅的空化現(xiàn)象?？张轁缢查g，產(chǎn)生的沖擊波或微射流對裝藥表面有強烈的沖蝕破壞作用［1］。研究表明［2］，在相同泵壓下，空化射流的沖擊效果遠優(yōu)于高壓連續(xù)水射流，其產(chǎn)生的壓力是連續(xù)射流沖的8.6－124倍，且發(fā)生裝置簡單，R.E.Kohl將空化現(xiàn)象應用于水射流中。在應用實踐中發(fā)現(xiàn)，淹沒條件下空化射流可達到更好的沖蝕效果，A.L.Licharowice通過實驗，證明沖蝕效果是同等條件下非淹沒條件下的2倍。自此，人們對淹沒條件下的水力空化射流開展了研究，尤其是在不同應用領域空化噴嘴的設計及優(yōu)化。由于角型噴嘴和自激振蕩噴嘴加工工藝簡單，容易控制上下游壓力差，得到了廣泛應用，Leach和Walker［3］等人對角型噴嘴的結構進行了研究，認為最佳結構為噴嘴入口椎角為13.5°，銜接一段長度為2.5倍噴嘴直徑的直孔（即噴嘴的喉部），Katsuya Yanaida［4］等人對噴嘴擴散角對空化流場的影響進行了系列試驗研究，表明擴散角在60°時產(chǎn)生的空化效果最好。國內，張鳳華［5］教授對角型噴嘴進行了研究，表明收縮擴散型噴嘴的空化效果最好。沈忠厚［6～7］等在石油鉆井應用中，指出自激振蕩噴嘴具有很好的空化效果。典型的角型噴嘴、自激振蕩結構如圖1所示。

圖1 噴嘴結構圖Fig.1 Nozzle structure

噴嘴的直徑小，且空化是瞬時復雜的過程，很難用試驗手段對噴嘴內部空化進行觀察，只能對空化噴嘴的作用效果進行試驗研究，浪費了大量的時間和資源。在已有空泡運動學基礎上，Singal等人對水射流中的空化現(xiàn)象進行了數(shù)值分析，建立了完全空化模型，基于FLUENT軟件，對噴嘴內外流場的空化場分布進行了仿真模擬［8］。盧玉義［9］等利用標準k－ε模型、RNG k－ε模型和Realizable k－ε模型對噴嘴內部流場進行了仿真模擬，表明RNG k－ε模型適合角型空化噴嘴，并用試驗進行了驗證。韓冰［10］等利用RNG k－ε模型，采用SIMPLEC算法對空化流場進行了數(shù)值模擬，并利用試驗對沖擊壓力場的分布進行了研究，驗證了仿真模型的正確性。

目前，空化噴嘴的設計主要在石油鉆井、材料表面強化及污水處理等應用領域，對彈丸裝藥倒空領域還未見報道。因此，本文擬利用FLUENT軟件，采用混合模型（Mixture Model）和完全空化模型，選擇適合角型噴嘴的RNG k－ε湍流模型和SIMPLEC算法，對設計的三種適合于彈丸倒空的噴嘴內外空化流場進行仿真分析，探索不同噴嘴結構對彈丸倒空中空化流場的影響規(guī)律，這不僅對水力空化技術倒空試驗具有一定指導，而且也為裝藥倒空組合噴嘴的實際應用設計優(yōu)化提供了可行方法。

2 裝藥倒空噴嘴設計

空化噴嘴是空化產(chǎn)生的執(zhí)行元件，合理的噴嘴結構不僅可以保證空化的強度，也可保證倒空設備的安全運行。因此，空化噴嘴的設計結構應該盡量簡單、易于安裝拆卸和維護。

淹沒條件下，空化噴嘴的設計應盡量誘使空化泡在裝藥表面附近潰滅，有一個完整的發(fā)展過程。在已有噴嘴設計的理論基礎上，對典型角型噴嘴進行了改造設計，提出了雙錐度縮放型噴嘴的設計理念，具體的噴嘴結構如圖2所示，結構參數(shù)如表1所示。

3 仿真模型建立

本文利用二級迎風格式對物理模型進行離散，并選取合適的松弛因子使計算有效收斂，對噴嘴的空化流場特性進行仿真模擬。

3.1 網(wǎng)格劃分

圖2 噴嘴結構圖Fig.2 Concrete nozzle structure

表1 噴嘴結構參數(shù)Tab.1 Nozzle structural parameters

物理模型由噴嘴、空化容器組成，如圖3所示。模型軸對稱，選取1／2模型進行網(wǎng)格劃分。利用Gambit前處理軟件，對物理模型進行離散化，采用結構化網(wǎng)格，對噴嘴入口、出口處局部細化，噴嘴的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。文獻［11］利用三種尺寸網(wǎng)格對近壁面的汽含率進行計算，結果表明網(wǎng)格數(shù)大小對計算結果影響很小。因此，網(wǎng)格的劃分只要能滿足計算要求即可，本文單錐度噴嘴共劃分61 026個網(wǎng)格，雙錐度共劃分27 966個網(wǎng)格，自激噴嘴共劃分35 004個網(wǎng)格。

圖3 物理模型圖Fig.3 Physicalmodel

圖4 噴嘴網(wǎng)格劃分Fig.4 Nozzle grid division

3.2 模型選擇［12］

3.2.1 多相流模型

FLUENT軟件中的多相流模型，主要有VOF模型、混合模型和歐拉模型三種。VOF模型用于各相互不相容界面間的表面追蹤方法，而空化模型是基于各相之間相互貫穿的連續(xù)性假設，故VOF模型與空化模型不能同時使用。歐拉模型雖然計算精度高，但是穩(wěn)定性較差?；旌夏Ｐ停∕ixture Model）是一種簡化的多相流模型，基于N－S方程進行求解。綜上所述，本文選用混合模型結合空化模型對三噴嘴內外流場進行仿真。

3.2.2 空化模型

本文選用Singal等人提出的完全空化模型，利用汽體的輸運方程求解汽體的質量分數(shù)f，方程為：

式中：ρ為混合密度；V為汽相速度矢量；γ為有效轉換系數(shù)；Re和Rc為汽體生產(chǎn)和凝結的相變率。

當p＞pv時，

當p＜pv時，

式中：pv為實際工況溫度下的飽和蒸汽壓；Vch為特征速度；σ為表面張力系數(shù)；Ce和Cc為經(jīng)驗常數(shù)，通常取0.02和0.01。

3.3 控制方程

本文采用SIMPLEC算法進行求解，方程為：

3.4 邊界條件

根據(jù)實際工況和物理模型，設置邊界條件：

（1）入口施以壓力入口，壓力為12 MPa，縮放型噴嘴入口直徑為10 mm，自激噴嘴為5 mm；

（2）出口施以壓力出口，壓力為大氣壓，出口直徑為2 mm；（3）采用標準壁面函數(shù)，壁面光滑無滑移；（4）過程不發(fā)生熱量交換，不考慮能量方程，水溫恒為20℃。

4 不同結構噴嘴內外空化流場特性研究

4.1 速度場的分布

對不同結構噴嘴在入口壓力為12MPa時的速度場進行了數(shù)值仿真，速度云圖如圖5所示，在軸向方向速度散點分布如圖6所示。

通過圖5可以看出，水力空化射流速度在噴嘴喉部達到最大值（圖中紅色區(qū)域），存在等速流核區(qū)，這與淹沒射流理論是相符的［13］，這也驗證了仿真模型的正確性。在垂直于軸線方向的速度梯度變化明顯，在等速流核區(qū)末尾，流場的速度迅速降低。

圖5 不同結構噴嘴速度場分布圖Fig.5 Velocity field distribution of nozzle w ith different structure

圖6 軸向方向速度散點分布Fig.6 Distribution of axial velocity dispersion

由圖6可以看出，噴嘴的速度場分布大致是一致的，速度的極值大小基本相等，在噴嘴收縮段存在較大的速度梯度。單錐度噴嘴的速度核心區(qū)要長于其他兩個噴嘴。在噴嘴出口外的流體流場，自激噴嘴的速度要大于縮放型型噴嘴，雙錐度噴嘴要大于單錐度噴嘴。隨著噴嘴喉部長度的改變，自激噴嘴和雙錐度噴嘴的流場速度極值逐步向噴嘴出口方向移動，在距離噴嘴出口30mm左右各結構噴嘴的速度基本相同。

4.2 汽含率的分布

流體發(fā)生空化現(xiàn)象時，必然產(chǎn)生空化泡，則會有汽體組分的存在。汽含率就是汽體在流體中所占的體積分數(shù)，汽含率越高，流體中空化泡所占的體積分數(shù)也越高，空化現(xiàn)象也就越強烈，故可以用汽含率標定空化的強度。不同噴嘴內外部流場汽含率分布如圖7所示。

圖7 汽含率分布規(guī)律Fig.7 Cavity density distribution

通過圖7可以看出，在噴嘴的截面積發(fā)生突然變化的地方都發(fā)生了明顯空化現(xiàn)象，在靠近噴嘴壁面的地方空化強度更強，這與文獻［14］的結果是一致的，說明設計的空化噴嘴在給定的工作條件下，均能有效的發(fā)生空化現(xiàn)象，也驗證了數(shù)值仿真的正確性。而且自激噴嘴的汽含率分布最為集中，縮放型噴嘴汽含率分布相對分散，雙追度噴嘴和自激噴嘴在噴嘴出口處發(fā)生了強烈的空化現(xiàn)象。

通過仿真結果可以看出，噴嘴的結構對汽含率的分布有比較大的影響。雙錐度的設計，使得流場逐步向喉部過渡，到噴嘴擴張段，噴嘴截面積發(fā)生突然變化，增加了射流的出口面積，加速了射流與靜態(tài)水的剪切渦流，促使了靜態(tài)水中空化的產(chǎn)生。

4.3 湍動能的分布

湍動能代表流體的紊亂程度。淹沒條件空化射流的沖蝕效果之所以好于非淹沒射流，是由于高速度的空化射流射入靜止流體后，在流體中形成了強烈的湍流，由于流體的剪切作用，引起了空化現(xiàn)象的發(fā)生，加劇了流場的空化強度。流場中，不同結構噴嘴的湍動能布規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同結構噴嘴湍動能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of nozzle w ith different structure

通過圖8可以看出，流場區(qū)域內都有一個湍動能極值，單錐度噴嘴的湍動能極值最大，自激噴嘴和雙錐度噴嘴極值基本相同。噴嘴出口處以后單錐度噴嘴，衰減速度最快。不同噴嘴的湍動能極值位置為：單錐度噴嘴在軸向7mm左右，雙錐度噴嘴在10mm左右，自激噴嘴大概在15mm左右。在噴嘴出口處以后，自激噴嘴的湍動能要大于縮放型噴嘴。

通過仿真結果可以看出，噴嘴喉部的長度對空化區(qū)域的分布有一定的影響。三種噴嘴的喉部長度大小為：自激噴嘴＜雙錐度噴嘴＜單錐度噴嘴，隨著噴嘴喉部長度的縮短，空化現(xiàn)象逐步向噴嘴出口處游移，而且湍流區(qū)也越來越長，空化的作用區(qū)域也越長。

5 結 論

（1）噴嘴結構對流體空化的產(chǎn)生及分布有比較大的影響，設計的噴嘴在給定的條件下都產(chǎn)生了明顯的空化現(xiàn)象；

（2）雙錐度噴嘴的空化效果優(yōu)于典型的單錐度噴嘴，在噴嘴出口處產(chǎn)生了明顯的空化現(xiàn)象；

（3）自激噴嘴的空化區(qū)域相對集中，縮放型噴嘴則相對分散，擴散角的改變對空化強度有一定影響，本文中自激噴嘴出口處空化強度要好于縮放型；

（4）對于倒空裝藥，初步選定雙錐度縮放型噴嘴和自激噴嘴，用于后續(xù)裝藥倒空試驗。

（5）倒空中最佳噴距雙錐度噴嘴在10mm左右，自激噴嘴在15mm左右。

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滿海濤 男（1987－），山東滕州人，碩士生，主要研究領域為彈藥銷毀及其再利用研究。

羅興柏 男（1962－），安徽蕪湖人，教授，博士生導師，主要研究領域為彈藥系統(tǒng)設計與試驗評估。

Research on the Effect of Nozzle Structure on Cavitation Phenomenon of Explosive Removal using Hydrodynam ic Cavitation

MAN Haitao1，2，LUO Xingbai1，DING Yukui1，F(xiàn)ANGWengai2，YAN Qingchun2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.No.72373 Unit of PLA，Luoyang 471900，China）

Nozzle is themajor component to trigger cavitation phenomenon.For the nozzle structure has an effect on the cavitation producing，the related study has particular significance to improving the cavitation efficiency.In order to explore the influence on the structure of the nozzle that used on the explosive removal.The cavitation flow fields of three type of nozzle included single cone angles convergent-divergent nozzle，double cone angles convergent-divergent nozzle and self-excited nozzle are simulated using FLUENT software.Through analyzing the velocity of flow field，cavity density and distribution of turbulent kinetic energy，and discussing the effect of different types of nozzle on cavitation phenomenon，the nozzle structure which is fit for explosive removal is selected，which provided a theoretical basis for explosive removal experiment.The results show that obvious cavitation phenomenon occurs utilizing all of these nozzles.The nozzle exit areas of self-excited nozzle and double cone angles nozzle appear obvious cavitation phenomenon and w ide cavitation area，and therefore these two nozzles are suit for explosive removal using hydrodynam ic cavitation.

nozzle；hydrodynam ic cavitation；numerical simulation；explosive removal

TJ 410.89

A