劉魯興 鄧松圣 管金發(fā) 李國棟 姚 粟 姜玉泉

中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系, 重慶 401331

0 前言

儲罐廣泛應(yīng)用于石油行業(yè)中,無論是成品油還是原油儲存,儲罐都具有相當(dāng)重要的地位[1]。由于油品中水分、無機(jī)鹽、雜質(zhì)、細(xì)菌、工作溫度和沉降作用等原因,隨著時間推移,會影響儲罐儲油的質(zhì)量,使儲罐堵塞,罐底板及內(nèi)壁腐蝕生銹,嚴(yán)重時儲罐會出現(xiàn)穿孔,導(dǎo)致油品泄漏,引起安全事故,對儲罐產(chǎn)生不利影響[2-4]。為保證油品質(zhì)量,延長儲罐使用壽命,儲罐清洗必不可少[5]。近年來，為實現(xiàn)儲罐清洗工作的安全與環(huán)保,逐漸開展了對空化水射流清洗儲罐的研究[6]。

空化水射流是人為在噴嘴出口處誘發(fā)空化[7-8],使射流產(chǎn)生空泡在沖擊到靶材表面時發(fā)生潰滅,以達(dá)到清洗、切割或破碎物料的效果[9-11]。根據(jù)空化原理,空化一般可通過三種方式獲取:繞流型空化、剪切型空化和振蕩型空化[12-13]。中心體噴嘴則是產(chǎn)生繞流型空化的核心部件[14]。早在20紀(jì)70年代，Johnson V E J等人[15]就對中心體噴嘴展開了研究,隨著水射流技術(shù)研究的發(fā)展,國內(nèi)學(xué)者對于繞流型空化噴嘴也開展了研究。楊敏官等人[16]在不同相對直徑條件下,對嵌入中心體的空化水射流噴嘴進(jìn)行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)空蝕效果與中心體相對直徑有關(guān),隨著相對直徑增大,空蝕程度越來越高;肖勝男[17]提出將中心體噴嘴與異形噴嘴組合以產(chǎn)生更好的空化射流效果的思路,發(fā)現(xiàn)異形出口的中心體噴嘴產(chǎn)生的流場中,空泡相延伸距離更長,異形出口的中心體噴嘴產(chǎn)生的空化射流效果更好;廖松等人[18]將異性中心體與錐形噴嘴相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值研究,通過對噴嘴沖蝕能力、壓力、氣含率等因數(shù)的分析與比較,發(fā)現(xiàn)用90°錐形柱體的中心體與噴嘴相結(jié)合空化效果更明顯。

為提高噴嘴的空化效果,增加噴嘴的沖蝕性能,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對一種帶有擴(kuò)散角的中心體噴嘴展開研究,通過Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,研究比較因擴(kuò)散角度不同對噴嘴誘發(fā)空化效果的影響。

1 幾何模型

圖1為中心體噴嘴原理和結(jié)構(gòu)圖,其中圖1-a)是中心體噴嘴結(jié)構(gòu)圖,在噴嘴中心置入一圓柱體,圓柱體的端面與噴嘴出口端面平齊、縮進(jìn)或伸出一定距離；圖1-b)是誘發(fā)空化原理圖,流體在繞過中心體時形成尾流,從而產(chǎn)生空化氣泡[19];圖1-c)和圖1-d)分別是無擴(kuò)散角噴嘴和含擴(kuò)散角噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖。經(jīng)研究，中心體直徑Dc與出口直徑Dn的比值在0.5～0.8之間空化效果較好[20]。本文中心體內(nèi)縮長度L、Dc、Dn的取值分別為2、1、2 mm，為進(jìn)一步比較不同擴(kuò)散角的影響,在計算中擴(kuò)散角θ取值分別為0°、5°、10°、15°、20°、25°。

a)中心體噴嘴結(jié)構(gòu)圖

b)誘發(fā)空化原理圖

c)無擴(kuò)散角噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖

d)含擴(kuò)散角噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖

2 計算模型及前處理

2.1 網(wǎng)格的劃分

噴嘴的結(jié)構(gòu)整體呈錐直型,網(wǎng)格的劃分相對容易。構(gòu)建二維流體計算域的網(wǎng)格圖,即可準(zhǔn)確模擬空化的產(chǎn)生。圖2為含擴(kuò)散角中心體噴嘴網(wǎng)格圖,在噴嘴出口左側(cè)為噴嘴的網(wǎng)格區(qū),右側(cè)區(qū)域設(shè)定為大氣區(qū),整體所包含的網(wǎng)格數(shù)約1.5×104個。同時對噴嘴收縮段、噴嘴出口處及近壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。

圖2 含擴(kuò)散角中心體噴嘴網(wǎng)格圖

2.2 計算模型的選取

空化模型在實際應(yīng)用過程中,數(shù)值計算的穩(wěn)定性受到眾多因素的影響,選擇合理的空化模型尤為重要。Fluent軟件中提供了Zwart-Gerber-Belamri、Schnerr and Sauer和Singhal et al三種空化模型。綜合比較三種空化模型，Singhal et al模型的可操作性相對較差;另外兩種模型雖然計算不夠精細(xì),但相對穩(wěn)定;同時Schnerr and Sauer模型相較于Zwart-Gerber-Belamri模型計算更易收斂。本文選擇Schnerr and Sauer模型[21-22]進(jìn)行數(shù)值仿真。

計算模型的體積分?jǐn)?shù)方程為:

(1)

連續(xù)性方程為:

(2)

動量方程為:

(3)

式中:ρm為混合物密度,kg/m3;ρv為蒸氣密度,kg/m3;ρl為水密度,kg/m3;νm為混合物速度,m/s;μm為混合物黏度,Pa·s;i、 j為張量下標(biāo);η為質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù);αp為氣泡體積分?jǐn)?shù);φ為氣泡質(zhì)量，kg;t為時間，s；x為直角坐標(biāo)軸。

2.3 邊界的設(shè)定

利用Fluent軟件讀取劃分好的網(wǎng)格,進(jìn)行邊界設(shè)定。

1)噴嘴入口處邊界設(shè)定:入口邊界選擇pressure inlet,壓力數(shù)值為15 MPa;流體介質(zhì)為水和蒸氣兩種,其中水的體積分?jǐn)?shù)為1;水到蒸氣之間的反應(yīng)選擇cavitation,水的飽和蒸氣壓為3 540 Pa。

2)噴嘴出口處邊界設(shè)定:出口邊界選擇pressure outlet,外部區(qū)域為大氣,壓力數(shù)值為101 325 Pa。

3)壁面邊界設(shè)定:噴嘴壁面和中心體壁面均選擇wall,勾選無滑移狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果及分析

將計算結(jié)果導(dǎo)入后處理軟件,為更清晰地顯示空化區(qū)域的壓力變化,僅展現(xiàn)3 540～101 325 Pa的低壓區(qū)域。壓力超出最大值的部分,按最大值101 325 Pa的區(qū)域顏色進(jìn)行作圖,圖3為不同擴(kuò)散角噴嘴的壓力云圖。

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

由圖3可知,液體進(jìn)入噴嘴后,在中心體末端產(chǎn)生繞流型空化，液體壓力在此處達(dá)到水的飽和蒸氣壓3 540 Pa,即在此處產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化反應(yīng)。通過圖3可以看出,帶有擴(kuò)散角的噴嘴,中心體后的空化低壓區(qū)范圍明顯大于無擴(kuò)散角的噴嘴,不同擴(kuò)散角噴嘴的空化低壓區(qū)也存在差異。圖4為不同擴(kuò)散角噴嘴壓力變化曲線圖,可更清晰地比較不同角度下中心體后壓力變化情況,中心體后壓力即到達(dá)空化壓力,與橫坐標(biāo)平行的曲線段即為達(dá)到空化壓力3 540 Pa的區(qū)域。由圖4可知，0°擴(kuò)散角噴嘴空化壓力段長度2 mm為最小;擴(kuò)散角為10°和25°時壓力變化曲線基本重合,空化壓力段長度為5 mm;擴(kuò)散角為15°的噴嘴空化壓力段最長為6 mm;在15 MPa的入口壓力下,與其他幾種擴(kuò)散角的中心體噴嘴相比,擴(kuò)散角15°時噴嘴產(chǎn)生空化低壓區(qū)域最長。

圖4 不同擴(kuò)散角噴嘴壓力變化曲線圖

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

圖5為不同擴(kuò)散角噴嘴的氣含率云圖。由圖5可知,中心體后所產(chǎn)生的氣相體積分?jǐn)?shù)較大的區(qū)域與圖3中空化低壓區(qū)域基本吻合。含擴(kuò)散角噴嘴后的蒸氣區(qū)域明顯大于無擴(kuò)散角噴嘴,且對于不同擴(kuò)散角噴嘴,其出口處的蒸氣區(qū)域大小也是不同的,擴(kuò)散角為15°時蒸氣覆蓋范圍相對更大。為更清晰地分析,做不同擴(kuò)散角噴嘴氣含率變化曲線,見圖6。由圖6可知，所有噴嘴在中心體后的氣含率變化趨勢大致一致,即在中心體后氣含率最高,隨后氣含率先相對緩慢下降,最后氣含率快速變小直至為0。不同擴(kuò)散角噴嘴其氣含率變化曲線存在差異,擴(kuò)散角為15°時,噴嘴在中心體后氣含率變化最緩慢,和其他幾種噴嘴相比,在距離中心體相同位置處(即橫坐標(biāo)相同時),氣含率最高。這和前文所分析的壓力變化曲線得出的結(jié)果完全吻合,即擴(kuò)散角15°時噴嘴空化產(chǎn)生的效果最好。

圖6 不同擴(kuò)散角噴嘴氣含率變化曲線圖

a)θ=0°

b)θ=5°

c)θ=10°

d)θ=15°

e)θ=20°

f)θ=25°

圖7為不同擴(kuò)散角噴嘴的速度云圖。由圖7可知，不同擴(kuò)散角噴嘴的速度云圖基本相同,噴嘴在圓柱段得到加速并以較高的速度射入到環(huán)境中。圖8為不同擴(kuò)散角噴嘴速度分布曲線圖,可以清楚地看出射流進(jìn)入圓柱段速度達(dá)到峰值,并保持一定的高速度向前流動,幾種不同擴(kuò)散角噴嘴到達(dá)的速度峰值均為175 m/s。當(dāng)射流流過中心體末端,隨著流動空間的相對增大,速度開始下降,但仍以較高的速度向前流動。當(dāng)射流到達(dá)噴嘴出口位置,射入外界環(huán)境時,射流速度開始急劇下降。對比幾種噴嘴速度變化曲線的差異,可以發(fā)現(xiàn)噴嘴擴(kuò)散角15°時,在噴嘴出口后方同位置處的速度較其他幾種噴嘴是最大的,其能量衰減相對最慢。

圖8 不同擴(kuò)散角噴嘴速度分布曲線圖

4 結(jié)論

1)本文對0°、5°、10°、15°、20°和25°的不同擴(kuò)散角中心體噴嘴產(chǎn)生空化的過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,分析了噴嘴內(nèi)部流場特性的變化情況。

2)噴嘴入口壓力為15 MPa時,含擴(kuò)散角噴嘴誘發(fā)空化的效果明顯優(yōu)于不含擴(kuò)散角噴嘴。

3)含擴(kuò)散角噴嘴因其擴(kuò)散角不同,其空化產(chǎn)生的效果也不同。通過計算分析得出,擴(kuò)散角15°時噴嘴誘發(fā)空化效果最好。