朱犇犇，祝錫晶，趙 韡，曹麗亭

（中北大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

高壓氣液兩相射流作為一種新型高效的多介質(zhì)強力射流開始逐漸被應(yīng)用。FERNANDE等［1-2］模擬了水射流沖擊容器壁去除表面殘留的污染層，在其臨界應(yīng)力下表現(xiàn)出了明顯的蠕變。馬文濤等［3］采用了CFD方法對高壓純水射流流場結(jié)構(gòu)、射流核心區(qū)長度以及速度分布進(jìn)行研究，并采用ALE方法研究了高壓水射流破巖特征。王國志等［4-6］利用FLUENT軟件對噴嘴的外流場進(jìn)行仿真模擬分析，可直觀地分析噴嘴的外流場特性及噴嘴的性能。通過改變不同的射流壓力和噴嘴的直徑來分析噴嘴的外流場的特性，隨著射流壓力的增加，射流沖擊力、射流動壓和有效射流距離都在增加。

惲強龍等［7-11］為適應(yīng)不同噴射需要以形成不同的兩相混合特性，研究了幾種異形噴嘴的液氣射流泵的水力性能為液氣射流泵內(nèi)氣液混合的應(yīng)用提供了新的射流方法。林柏泉等［12-15］研究了高壓氣液兩相射流多級脈動破煤巖特性及致裂機理，氣液兩相射流與純水射流相比，平均沖蝕能力可提高近28%，有效提高射流破巖效率，降低系統(tǒng)的作業(yè)壓力，增強系統(tǒng)的安全可靠性。

ADLER等［16-18］認(rèn)為水射流去除表面污垢的機制主要由4個破壞模型組成：直接變形、應(yīng)力波傳播、側(cè)流沖擊和水力滲透，用沖擊相干湍流水射流模擬清潔黏塑性層，直接變形和應(yīng)力波傳遞導(dǎo)致了污垢初始裂紋的產(chǎn)生，而側(cè)流沖擊和水力滲透使得現(xiàn)有的裂紋不斷擴大并最終導(dǎo)致污垢的脫落。

本課題在國內(nèi)外學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了混合裝置，展開了對氣液射流的在清洗方面的模擬研究。

1 氣-水兩相射流清洗原理

如圖1所示，氣液兩相流是在高壓水射流中摻入少量的氣體，形成均勻的兩相流，使其經(jīng)過噴嘴噴出以后發(fā)展為速度很高、沖蝕能量很強的氣液兩相射流。兩相射流在噴嘴內(nèi)部發(fā)生能量交換，一定壓力的空氣受高壓水的擠壓和沖擊形成許多微小且均勻分布的高壓氣泡。一是射流本身會對材料表面形成強大的應(yīng)力波，二是射流中氣泡內(nèi)的壓力要遠(yuǎn)大于大氣壓力，當(dāng)氣泡接觸材料表面時，迅速膨脹做功，在微小面積上產(chǎn)生極高的沖擊壓強，造成材料表面的剝蝕。

圖1 清洗示意Fig.1 Schematic diagram of cleaning

假設(shè)射流垂直射向靶面，速度瞬間變?yōu)榱恪２豢紤]其他因素由動量定理得：

式中 F——沖擊力，N；

ρm——射流密度，g/cm3；

Q——射流流量，m3/s；

g——重力加速度m/s2。

當(dāng)射流沖擊物體表面時，會產(chǎn)生巨大的剪應(yīng)力，在沖擊區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，使表面材料發(fā)生破壞。

2 氣-水混合裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對研究對象氣-水射流，自主設(shè)計了射流的發(fā)生裝置，為了能夠滿足實際需求，根據(jù)實際工況，可選擇不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同的材料表面進(jìn)行清洗，其工作質(zhì)量和工作效率不一。設(shè)計的發(fā)生裝置如圖2所示，包括上下兩級噴頭，混合室，震蕩管。法蘭連接，方便拆卸和更換。本裝置可以更換上、下噴頭的形狀、尺寸，控制進(jìn)氣量，可滿足對不同工況下的安全作業(yè)需求。

圖2 氣-水射流發(fā)生裝置Fig.2 Diagram of gas-waterjet generator

2.1 混合的基本原理

高壓水通過細(xì)小口徑形成高速射流，由于速度很快在腔室形成負(fù)壓，能夠自吸進(jìn)氣或者主動摻氣，將氣體和水混合均勻，然后釋放。其原理如下，裝置上部接高壓水，進(jìn)氣口接入氣管，高壓水經(jīng)上噴嘴流向混合腔，高速射流與氣體進(jìn)行混合，一起流入喉管進(jìn)行震蕩交換速度達(dá)到一致并且均勻混合后一起射出。

2.2 混合的基本運動過程

混合的基本運動大致分為3個運動階段。

（1）液氣兩相流相對運動階段。剛開始液氣兩相流初始速度差別很大，逐漸形成氣包液的兩相相對運動。

（2）液滴運動段。射流液體受到外圍空氣流的干擾會出現(xiàn)脈動現(xiàn)象而形成表面波，振幅的進(jìn)一步增大，使得連續(xù)的液體被扯散分隔成無數(shù)大大小小的液滴分散在空氣流中。

（3）泡沫流運動段。空氣被擠壓分隔成無數(shù)的氣泡分散在液體中形成泡沫流。

3 網(wǎng)格劃分及數(shù)值模擬方法

3.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

3.1.1 氣液混合模型

首先建立兩相流混合模型，入口1為高壓水入口4 mm，入口2為空氣入口2 mm，出口為壓力出口3 mm，錐度30°其余為壁面，喉管長20 mm。最小網(wǎng)格尺寸0.01 mm，CFD劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，檢測網(wǎng)格質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division diagram

3.1.2 兩相射流沖擊模型

如圖4，5所示，建立三維模型，選擇 ICEM CFD預(yù)處理，創(chuàng)建block進(jìn)行0型分割，加密網(wǎng)格，轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量306 810，網(wǎng)格質(zhì)量在0.4以上。將mesh文件導(dǎo)入FLUENT，邊界條件圖4所示，選擇多相流mixture模型，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，非定常流動，初始化進(jìn)行計算Time Step Size 0.001 s，步數(shù) 500 次。

圖4 氣-水射流撞擊靶面網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of air-waterjet impinging on target surface

圖5 氣-水射流撞擊靶面示意Fig.5 Schematic diagram of air-waterjet hitting target surface

3.2 數(shù)值模擬方法

采用雙精度mixture非定常流動模型考慮了界面?zhèn)鬟f特性，以及兩相間的擴散作用和脈動作用，適用于離散相體積率高于10%的混合物，能夠準(zhǔn)確預(yù)測氣液兩相的分布。

選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型并無滑移處理主項連續(xù)相為水，次相為離散相空氣氣泡直徑10 μm。

假設(shè)：氣液兩相流是混合均勻的，兩相流速度均勻且相等，進(jìn)口出氣泡直徑相等的球形，氣液兩相均為不可壓縮介質(zhì)，氣液兩相互不相溶，壁面光滑且無滑移。

3.3 控制方程及邊界條件

采用k-ε湍流模型，其中k方程為：

式中 l，g——下標(biāo)，液體、氣體；

Mli——液體的質(zhì)量力；

Mgi——氣體的質(zhì)量力；

σk——k的普朗特數(shù)；

σε——ε的普朗特數(shù)，且σk=1，σε=1.3，c1=1.44，c1=1.92。

3.4 邊界條件設(shè)置和求解方法

對于模型1，入口1為連續(xù)相水的入口，入口2為離散相壓力入口，出口壓力為0；水壓10～50 MPa，進(jìn)氣壓力恒定 1 MPa，見表 1。

表1 模型1入口條件Tab.1 Entry conditions of model 1

對于模型2，入口為混合均勻的射流入口，經(jīng)出口噴出到靶面。出口壓力為0，其他為wall。分別以不同速度、壓力進(jìn)行仿真。均采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度的耦合求解，迭代步長0.001 s，計算500步。將計算結(jié)果保存導(dǎo)入到CFD-Post中后處理，輸出每個條件下的數(shù)據(jù)文件，最后將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MATLAB中繪制多條曲線變化圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，見表2和3。

表2 模型2壓力入口條件Tab.2 Pressure inlet conditions of model 2

表3 模型2速度入口條件Tab.3 Speed inlet conditions of model 2

4 數(shù)值結(jié)果分析與試驗驗證

4.1 氣-水射流不同的壓力混合模擬分析

進(jìn)水壓力分別為 10，20，30，40，50 MPa，進(jìn)氣壓力1 MPa進(jìn)行仿真，得到其速度云圖和體積分?jǐn)?shù)分布云圖。

如圖6所示，錐口處高壓水的速度開始加速，帶動氣體流動到混合腔初步混合，接著到喉管處繼續(xù)混合，速度逐漸達(dá)到一致，可以說明射流之間發(fā)生能量交換，射流可以穩(wěn)定輸出?？諝怏w積分?jǐn)?shù)沿軸線方向是從0逐漸變大到0.289 5，說明混合均勻，效果較好。以上可以證明氣-液混合能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖6 30 MPa時速度和氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.6 Distribution nephogram of velocity and gas volume fraction at 30 MPa

當(dāng)高壓水的初始壓力逐漸增加時，混合射流中氣體的體積分?jǐn)?shù)會有所減小，而水的體積分?jǐn)?shù)有所減小，但變化不是很大，如圖7所示。主要是因為壓力增加水流速度也會增加，混合時間將有所減小，所以會發(fā)生此現(xiàn)象。

圖7 不同壓力下的混合射流中氣體體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Gas volume fraction in mixed jet under different pressures

4.2 混合射流沖擊靶面

4.2.1 速度分析

在設(shè)計工況下氣液兩相流主項為水，次相為離散相氣體，體積分?jǐn)?shù)為0.3，混合射流初始速度在10～50 m/s變化，對速度云圖7進(jìn)行分析，混合射流沖擊靶面時，少量流體會產(chǎn)生反濺，阻礙正向射流。通過對比不同速度的沖擊仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖8所示，整體的速度變化一致，射流在擴散段稍微有所區(qū)別，進(jìn)口速度越大，出口速度影響越小。但是在較小速度10，20 m/s時，反彈射流比較弱，射流射出后會出現(xiàn)加速的現(xiàn)象，主要是射流遇阻，大部分反彈的能量會被靶面吸收，只由少部分射流反射回來形成渦或者其他會影響到外流場的分布。速度較大時，在清洗時反射速度較大，對正向射流造成較大的影響，作用射流速度經(jīng)噴口射出后會急劇下降直到為0。

圖8 軸線速度變化Fig.8 Axis speed change

從速度分布云圖可以看出，速度逐漸加速，穩(wěn)定后噴出到空氣中，高速的射流沖擊材料靶面，速度瞬間變?yōu)?，產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而能達(dá)到清洗的目的。

4.2.2 靶面壓力分析

4.2.2.1 初始壓力不同

不同的混合射流壓力沖擊靶面，靶面壓力分布情況如圖9所示。從圖可看出，當(dāng)初始壓力比較小時，各個壓力段分布較均勻，存在不同的壓力段，對清洗材料來說，可能效率不高，清洗效果差等。隨著壓力增加到一定程度，中心區(qū)域圓增加至到不在發(fā)生變化，中心高壓區(qū)所占比例最大，可以起到很好的沖擊作用。

圖9 壓力分布曲線Fig.9 Pressure distribution curve

隨著壓力變大靶面壓力也是逐漸變大，而增加幅度逐漸減小，開始向兩端聚集。假設(shè)要清洗的某材料表面污垢或涂層的臨界壓力20 MPa，而基體材料破壞的臨界壓力遠(yuǎn)大于其表面涂層（如氧化層、防腐劑等）那么它的有效清洗面積則是中間劃線的部分，由圖10和11可知，隨著混合射流進(jìn)口壓力的增加，有效面積逐漸增加，而其增加速度逐漸減緩。

圖10 有效清洗面積Fig.10 Effective cleaning area

圖11 有效面積增加率Fig.11 Effective area increase rate

在實際過程中，壓力不易過大，需充分考慮效率和經(jīng)濟之間的關(guān)系，使總體效益到達(dá)最大。

以上分析說明了射流參數(shù)對射流性能和清洗效率之間的關(guān)系，對之后的實際工作具有重要指導(dǎo)意義。

4.2.2.2 靶距不同

不同靶距下的壓力分布如圖12所示。從圖中可看出，進(jìn)口壓力30 MPa時，靶距不同，靶面的壓力分布也大不相同。靶距在2 mm時，壓力分布帶比較尖，最高壓力4.4×107Pa；靶距4 mm時壓力有所減小，而分布帶較寬；當(dāng)靶距6 mm時，壓力達(dá)到3×108Pa，靶面壓力的分布較寬，說明清洗面積能夠達(dá)到很大，8 mm時壓力減小明顯，如圖13所示。由此可知，靶距對壓力的影響也很重要，靶距較小時射流得不到釋放，容易反射回來遇阻減弱，靶距較大時容易產(chǎn)生能量消耗。

圖12 不同靶距下的壓力分布Fig.12 Pressure distribution under different target distances

圖13 不同靶距下的最高壓力Fig.13 Maximum pressure at different target distances

所以存在適中的靶距使得效率最好。以上分析，靶距也是評價有效清洗面積的重要指標(biāo)，可根據(jù)材料的疲勞破壞強度可以選擇射流強度和靶距。（高壓氣泡遇到靶面破碎時所產(chǎn)生的能量需要后續(xù)測量）。

綜上分析，空氣的體積分?jǐn)?shù)在30%左右，伴隨著清洗效率的增加，而水的用量能夠大幅減小。

4.3 試驗驗證

試驗裝置進(jìn)行了幾組簡單的試驗，試驗效果如圖14所示。

圖14 清洗效果對比效果Fig.14 Comparative effect diagram of cleaning effect

在相同的水壓下分別進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明加氣前后清洗效果變化比較明顯，與仿真分析結(jié)果比較接近。

5 結(jié)論

（1）噴嘴的設(shè)計能夠滿足氣-水混合的要求，可改變其部分組件用來適應(yīng)不同的清洗目的。

（2）射流壓力在10～50 MPa范圍內(nèi)，氣液兩相流混合比較均勻合理，氣體體積分?jǐn)?shù)0.3左右變化。對靶面的沖擊力分布也較均勻清洗能量更集中。

（3）靶距過大和過小對射流沖擊力影響很大，存在合適的靶距6 mm，使得沖擊力較平穩(wěn)而且清洗的有效面積最大。