高壓水射流清洗設(shè)備異形噴嘴內(nèi)部流場的性能研究

劉軍，呂海霆，王琳

(大連科技學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 大連 116052)

高壓水射流清洗設(shè)備異形噴嘴內(nèi)部流場的性能研究

劉軍，呂海霆，王琳

(大連科技學(xué)院 機(jī)械工程系，遼寧 大連 116052)

噴嘴是高壓水射流清洗設(shè)備終端的重要執(zhí)行元件，針對圓錐形和棱錐形兩種不同結(jié)構(gòu)形式的噴嘴，利用流體力學(xué)的計算方法對其高壓水射流流場的壓力、軸向速度、及孔口出口處的湍流動能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并對兩種噴嘴進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，雖然棱錐形噴嘴具有較好的聚集流束的作用，但在同樣流量的情況下，其內(nèi)部流場的壓力變化梯度較大，出口速度遠(yuǎn)大于圓錐形噴嘴，且出口湍流動能較大，流動穩(wěn)定性弱于圓錐形噴嘴。

高壓水射流；清洗設(shè)備；異形噴嘴；射流流場

0 前言

高壓水射流技術(shù)是近年來發(fā)展十分迅猛的一門新興技術(shù)，是利用高壓水發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生高壓水，通過噴嘴將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨染奂乃淞鲃?，能完成清洗、切割、破碎等各種工藝的技術(shù)[1]。由于高壓水射流清洗技術(shù)具有不同于傳統(tǒng)清洗方法的諸多優(yōu)點，如清潔率高、清洗速度快、清洗成本低、不損壞被清洗物體、無環(huán)境污染等，在歐美一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家已成為主流清洗技術(shù)，我國現(xiàn)正處于起步階段。射流結(jié)構(gòu)是射流設(shè)備工作效率及其損耗程度的決定性因素，噴嘴的形狀對射流結(jié)構(gòu)具有顯著的影響。國內(nèi)外專業(yè)人士針對噴嘴形狀展開了廣泛的探討和研究，圓柱形噴嘴由于工藝簡單而長期占領(lǐng)著噴嘴市場，而收斂型的錐形出口及傾斜的出口端面更有助于增強(qiáng)射流的集束性，正逐漸被采用，尤其是用于高壓水射流切割技術(shù)。甚至考慮到噴嘴性能的最優(yōu)化，目前錐直形噴嘴的應(yīng)用范圍也在加大。

1 噴嘴的結(jié)構(gòu)簡介

噴嘴是高壓水射流清洗設(shè)備終端的執(zhí)行元件，其作用是通過噴嘴內(nèi)部橫截面的收縮形狀，將高壓水的壓力轉(zhuǎn)化為動能，以高速水射流的形式噴出，從而完成對物體表面的清洗目的?？梢姡瑖娮斓膬?nèi)部結(jié)構(gòu)非常重要，其形狀決定了出口速度、清洗靶距、以及對被清洗物體表面的水射流打擊力[2]。可以說，噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很大程度上直接影響著清洗效果。目前，傳統(tǒng)的圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu)由于其具有良好的聚集能量和射流的特點，從而可獲得較大的射流打擊力，同時圓錐形結(jié)構(gòu)易于制造出表面高品質(zhì)的噴嘴，因此長期占領(lǐng)了水射流清洗設(shè)備市場。美國Aqua-Dyne公司已經(jīng)研制出了各種類型的異形噴嘴，異形噴嘴以具有銳邊的平面防止空氣卷裹射流，因此，在較大靶距下能提高水射流的集束性能，且具有優(yōu)越的工作效率，其中的正三角形噴嘴正以其獨有的特點占有噴嘴市場的一定份額[3]。

2 異形噴嘴的模型

為了充分利用圓錐形噴嘴與正三角形異形噴嘴的優(yōu)勢，文中采用了棱錐形噴嘴作為分析對象，與傳統(tǒng)的圓錐形噴嘴的幾何模型選定為如下參數(shù)：噴嘴的長度取為l=30mm、收縮角為40°[4]，出口直徑取長靶距清洗距離常用的d=10mm。為了便于二者進(jìn)行性能對比，設(shè)定二者的水流壓力、進(jìn)出口當(dāng)量橫截面面積均相同，所選定的進(jìn)口當(dāng)量直徑為D=20mm，出口當(dāng)量直徑為d=10mm[5]，棱錐形噴嘴的進(jìn)出口邊長分別為27mm和13.5mm，為使研究問題進(jìn)一步簡化，對模型做了簡單處理。根據(jù)流體動力學(xué)建模方法，建立了如圖1所示的兩種噴嘴的仿真模型。

圖1 噴嘴的仿真模型

假定流體是連續(xù)不可壓縮的理想流體，且進(jìn)入噴嘴的速度是均勻的，屬于非淹沒連續(xù)射流。通過雷諾數(shù)的計算判斷，棱錐形噴嘴與圓錐形噴嘴的雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各自的臨界雷諾數(shù)，可知兩種噴嘴均為湍流模型，分子之間的黏性可以忽略[6]。由于射流場處于高湍流狀態(tài)，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε雙方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流動能方程k和擴(kuò)散方程ε為：

其中：

式中：μi——— 湍流粘度；

Gk——— 由平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；

YM——— 可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn) ；

Mt——— 湍動Mach數(shù)；

a——— 聲速。

為了分析噴嘴的軸向壓力、軸向速度和出口方向的湍流流動性能，考慮到兩種噴嘴的幾何特征，所以棱錐形噴嘴的湍流模型采用三維求解器，圓錐形噴嘴采用二維求解器，二者求解器均采用壓力速度耦合算法。其中，經(jīng)驗常數(shù)取值為：C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍流普朗特數(shù)取值為σk=1.0，σε=1.3。

設(shè)定噴嘴入口(Edge1) 邊界條件為壓力入口條件 (pressure inlet)，壓力值為 5 MPa；設(shè)定噴管壁面為無滑移絕熱壁面；設(shè)定 (Edge4) 邊界條件為壓力出口條件 (pressure outlet)，操作壓力為101 325 Pa，不計重力影響，離散格式采用二階迎風(fēng)格式[7]。

3 射流流場的仿真分析

3.1 軸向壓力分析

兩種噴嘴的軸向壓力云圖和壓力曲線圖如圖2、圖3所示，從圖中可以看出，噴嘴橫截面形狀的敏感度對進(jìn)出口壓降的影響很大，棱錐形噴嘴的壓降比較突兀，尤其是入口棱尖角處有較大面積區(qū)域的壓力數(shù)值達(dá)到最大值，而圓錐形噴嘴入口邊緣處壓力數(shù)值較大的區(qū)域面積非常小，整個內(nèi)部流場壓降相對平緩一些。

圖2 軸向壓力云圖

圖3 軸向壓力曲線圖

3.2 軸向速度分析

兩種噴嘴的軸向速度云圖和曲線圖如圖4、圖5所示，棱錐形噴嘴的入口速度比圓錐形噴嘴的低很多，相差數(shù)值為26m/s，出口速度與圓錐形噴嘴比較接近，相差數(shù)值為1m/s。在橫剖面上高低位置不同速度不同，呈現(xiàn)多樣化。速度在噴嘴長度的中間位置才開始快速增高。而圓錐形噴嘴內(nèi)的軸向速度呈現(xiàn)平緩的梯度變化，在橫剖面上高低位置不同速度比較接近，速度數(shù)值呈對稱性[8]。

圖4 軸向速度云圖

圖5 軸向速度曲線圖

3.3 出口湍流動能分析

兩個噴嘴的出口湍流動能如圖6所示。棱錐形噴嘴的湍流動能增加區(qū)域集中于三角形橫剖面的幾何中心區(qū)域，且從距入口10mm集中于棱邊處才開始，臨近出口10mm的一段距離內(nèi)，具有比圓錐形噴嘴大得多的湍流動能，尤其是三個棱邊處達(dá)到了最大的湍流動能，相差數(shù)值為5.5m2/s2。圓錐形噴嘴的湍流動能增加區(qū)域集中于圓形橫剖面的中心區(qū)域，且從入口邊緣即開始，呈現(xiàn)拋物線形變化，從進(jìn)口到出口內(nèi)的湍流動能呈現(xiàn)平緩遞增的梯度變化，說明噴嘴橫截面形狀的敏感度對出口湍流動能的影響很大。

圖6 出口湍流動能云圖

4 結(jié)語

將高壓水射流清洗設(shè)備中的棱錐形噴嘴和傳統(tǒng)的圓錐形噴嘴所產(chǎn)生的內(nèi)部射流流場進(jìn)行了模擬計算和分析，為異形噴嘴的應(yīng)用和研究提供一定的參考依據(jù)。

1) 軸向壓力：在入口壓力相同的條件下，雖然入口壓力相同，但是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致兩者出現(xiàn)的壓力變化梯度不同。棱錐形噴嘴內(nèi)部流場的壓力變化梯度較大，而圓錐形噴嘴的變化比較平穩(wěn)，說明噴嘴橫截面形狀的敏感度對進(jìn)出口壓降的影響很大。

2) 軸向速度：隨著入口壓力的增加，棱錐形噴嘴的入口速度比圓錐形噴嘴的低很多，出口速度與圓錐形噴嘴比較接近。

3) 噴嘴出口湍流動能：棱錐形噴嘴臨近出口處，具有比圓錐形噴嘴大得多的湍流動能，尤其是三個棱邊處達(dá)到了最大的湍流動能，意味著前者的流動穩(wěn)定性更弱一些，而后者的流動穩(wěn)定性更好一些。

[1] 盧曉江，何迎春，賴維. 高壓水射流清洗技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

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[3] 左海寧，白璐，周家日，等. 異形噴嘴內(nèi)部流場的可視化研究[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，(1):43-47.

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[5] 黃中華，謝雅. 圓錐形噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計研究[J]. 機(jī)械設(shè)計，2011,(12)：62-65.

[6] 楊國來，周文會，劉肥. 基于FLUENT的高壓水射流噴嘴的流場仿真[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2008，(4):49-52.

[7] 楊國來，李秀華，周文會，等. 圓錐形噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流場的影響[J]. 液壓與氣動，2009，(5):62-64.

[8] 王科社，海龍，顧瑞龍. 高壓水射流噴嘴特性研究[J]. 液壓與氣動，2007，(6)：76-78.

Performance of Internal Flow Field of Shaped Nozzle with theHigh-pressure Water Jet Cleaning Equipment

LIU Jun, LV Haiting, WANG Lin

(Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052, China)

Nozzle is important actuator in the terminal of pressure water jet cleaning equipment. For the nozzles with cone and pyramid-shaped structures, this paper uses computational fluid dynamics method to conduct numerical simulation analysis of two nozzles’ pressure, axial velocity and turbulent energy at the exit in the high-pressure water jet flow field. The results show that although the pyramidal nozzle is brought into good effect in the aggregation of the stream, in the case of the same flow, its pressure gradient inside flow field is larger and the exit velocity is much larger than the conical nozzle. The exit turbulent energy is larger and the flow stability is weaker than that of the conical nozzle.

high pressure water jet; cleaning equipment; shaped nozzle; jet flow field

劉軍(1969-),女，遼寧大連人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械優(yōu)化設(shè)計及機(jī)械CAD方面的科研和教學(xué)工作。

TH123

A

1671-5276(2015)05-0065-03

2014-12-26