振蕩式噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響研究

吳永洪 趙文伯 胡宗杰 王宇鋒 吳志軍

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.江蘇日盈電子股份有限公司，常州 213000）

主題詞：振蕩式噴嘴 數(shù)值仿真 外流場(chǎng)特性 側(cè)壁張角 噴霧特性

1 前言

射流振蕩式噴嘴作為汽車(chē)前風(fēng)窗玻璃清洗系統(tǒng)的核心部件，能夠?qū)崿F(xiàn)射流自激振蕩，其低壓下射流的噴霧錐角和液滴霧化等性能都有良好表現(xiàn)[1-2]。為了在盡可能不影響駕駛者視線的前提下，及時(shí)有效清洗風(fēng)窗玻璃表面的污漬，確保行車(chē)安全，有必要對(duì)射流振蕩式噴嘴進(jìn)行深入的研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)振蕩式噴嘴的振蕩機(jī)理開(kāi)展了大量研究，結(jié)果表明自激振蕩是湍流的隨機(jī)性和附壁效應(yīng)綜合作用的結(jié)果[3-6]：Bobusch 等[7]利用粒子圖像測(cè)速和時(shí)間分辨壓力測(cè)量技術(shù)量化分析了振蕩式噴嘴內(nèi)流形態(tài)，研究表明，主射流和壁面間漩渦體積循環(huán)變化是引起射流振蕩的機(jī)制；汪志明等[8]通過(guò)分析背壓及控制流對(duì)射流的附壁與切換過(guò)程的影響規(guī)律得到了射流的附壁與切換原理。隨著研究的深入，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流振蕩影響顯著[9-10]：Uzol O等[11]的試驗(yàn)結(jié)果表明，振蕩室的幾何形狀，尤其是壁面弧度及其與射流出口截面的距離是影響射流振蕩的重要因素；Pandey R J等[12]的數(shù)值仿真結(jié)果表明，噴嘴腔室入口直徑對(duì)其內(nèi)流影響顯著，而喉部寬度的影響不明顯。同時(shí)，射流的宏觀特性之間也存在聯(lián)系：王宇馳等[13]搭建了射流流量計(jì)試驗(yàn)研究平臺(tái)，研究發(fā)現(xiàn)，在一定流速范圍內(nèi)，流體流速與內(nèi)部振蕩頻率呈現(xiàn)線性關(guān)系。

對(duì)于振蕩式噴嘴的內(nèi)流特性及振蕩機(jī)理，相關(guān)研究人員已經(jīng)開(kāi)展了大量研究，但是關(guān)于射流振蕩式噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)外部噴霧特性影響的研究較少，因此本文基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真方法，對(duì)振蕩式噴嘴內(nèi)、外流進(jìn)行同場(chǎng)模擬，研究?jī)?nèi)流道壁面張角對(duì)噴霧特性的影響，為噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 噴霧特性測(cè)試

本文通過(guò)高速紋影成像及自主設(shè)計(jì)流量收集裝置測(cè)量獲得某款振蕩式噴嘴的振蕩頻率、噴霧錐角和流量分布。高速紋影試驗(yàn)和流量分布測(cè)量都需建立噴射壓力。低壓噴射系統(tǒng)如圖1所示，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電源輸出電流控制水泵，從而實(shí)現(xiàn)噴射壓力控制。

圖1 噴射壓力建立模塊

2.1 高速紋影成像

高速紋影系統(tǒng)由點(diǎn)光源、光路反射系統(tǒng)、高速攝影儀器、計(jì)算機(jī)和低壓噴射系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 高速紋影試驗(yàn)系統(tǒng)

在側(cè)壁張角θ=25°、噴嘴入口壓力為0.2 MPa、出口壓力為0 的試驗(yàn)工況下，高速紋影試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，在近場(chǎng)區(qū)域，噴霧呈現(xiàn)為柱狀射流，且射流高頻周期性地從一側(cè)擺動(dòng)至另一側(cè)再回到其初始位置。為減小誤差，本文取射流從最右側(cè)擺動(dòng)至最左側(cè)再回到最右側(cè)為1 個(gè)完整周期，根據(jù)10 個(gè)完整周期的圖片張數(shù)和拍攝幀速率計(jì)算得到平均周期從而獲得振蕩頻率。同時(shí)，由圖3可測(cè)得穩(wěn)定狀態(tài)下噴霧錐角為42.4°。

2.2 流量分布測(cè)量

流量分布收集系統(tǒng)由流量收集裝置和低壓噴射系統(tǒng)組成，如圖4所示，將收集箱分割為多個(gè)收集槽，隔板間隔d=5 mm。通過(guò)記錄噴射時(shí)間和每個(gè)收集槽內(nèi)收集到的水量獲取噴霧射流的流量分布數(shù)據(jù)。圖中原點(diǎn)為噴嘴出口對(duì)應(yīng)的收集箱中間的位置，X軸與噴嘴出口截面的長(zhǎng)邊平行，其坐標(biāo)值為收集槽中心點(diǎn)與原點(diǎn)間的距離L與間隔寬度d之比。Y軸為垂直噴嘴出口截面方向。

圖3 高速紋影成像

圖4 流量收集裝置示意

試驗(yàn)工況下，測(cè)得距離噴嘴出口200 mm 處X方向的流量分布如圖5 所示，整體上呈現(xiàn)為兩側(cè)高、中間低的雙峰形式。

3 模型建立及驗(yàn)證

本文基于某商用振蕩式噴嘴的真實(shí)幾何模型，建立其內(nèi)、外流特性數(shù)值仿真模型，進(jìn)行噴嘴內(nèi)、外流動(dòng)同場(chǎng)耦合模擬。

3.1 網(wǎng)格劃分

圖6a 所示為某款振蕩式噴嘴的真實(shí)三維幾何模型。利用布爾運(yùn)算提取其內(nèi)流道后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，生成圖6b所示的內(nèi)流道幾何模型。

因噴嘴入口處結(jié)構(gòu)突變不利于計(jì)算收斂，如圖7所示，在導(dǎo)出的內(nèi)流道模型噴嘴入口處增加一段計(jì)算域。同時(shí)關(guān)鍵細(xì)節(jié)部位采用0.04 mm的網(wǎng)格尺度，并平滑過(guò)渡到其他部位的0.1 mm的網(wǎng)格尺度。

圖6 噴嘴幾何模型

圖7 入口區(qū)域延長(zhǎng)示意

對(duì)于外流場(chǎng)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該噴嘴的噴霧為扇形片狀噴霧，錐角為42.4°，覆蓋范圍為300 mm 左右，噴霧的最大厚度約為40 mm，故設(shè)定外流場(chǎng)的尺寸為210 mm×250 mm×80 mm。外流場(chǎng)采用圖8a 所示混合網(wǎng)格，即在噴嘴出口處使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行過(guò)渡，再拉伸出結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)合噴霧錐角計(jì)算將非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格區(qū)域大小設(shè)定為70 mm×50 mm×80 mm，網(wǎng)格尺度由最小的0.1 mm 過(guò)渡到最大尺度2.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)100 萬(wàn)。從計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖8b）可以看出，混合網(wǎng)格方案能夠很好地呈現(xiàn)出噴霧的擺動(dòng)過(guò)程，噴霧云圖接近實(shí)際噴霧形態(tài)。

圖8 外流場(chǎng)網(wǎng)格劃分方案及計(jì)算效果

3.2 參數(shù)設(shè)置及模型驗(yàn)證

圖9所示為計(jì)算模型的邊界條件，具體仿真參數(shù)如表1所示。時(shí)間步長(zhǎng)的選取對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果影響顯著，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間步長(zhǎng)下得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的振蕩頻率，本文設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ms。

圖9 邊界條件設(shè)置

表1 數(shù)值仿真參數(shù)設(shè)置

在仿真和試驗(yàn)結(jié)果中振蕩頻率良好匹配的基礎(chǔ)上，從噴霧錐角和流量分布方面進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。由圖8b可測(cè)得噴霧錐角為41.2°，仿真結(jié)果誤差僅為2.6%。VOF 模型為連續(xù)相模型，結(jié)合2.5 mm 的外流場(chǎng)網(wǎng)格尺度，計(jì)算的噴霧結(jié)果為團(tuán)狀，無(wú)法真實(shí)模擬出噴霧破碎分散的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)值模擬計(jì)算的噴霧錐角小于試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果，且存在系統(tǒng)測(cè)量誤差，故認(rèn)為錐角的誤差在合理范圍。

圖10 所示為試驗(yàn)工況下距噴嘴出口200 mm 處X方向上流量分布情況的試驗(yàn)和仿真結(jié)果。由圖10 可知，試驗(yàn)和仿真所得的流量分布曲線重合度較高，均呈雙峰型。仿真流量分布的峰值和谷值都稍大于試驗(yàn)值，2 個(gè)峰值的間距小于試驗(yàn)結(jié)果。這是因?yàn)樵囼?yàn)中壓力表測(cè)得0.2 MPa 的位置與噴嘴間存在一段橡膠管，受管壁沿程阻力損失影響，實(shí)際入口壓力略小于0.2 MPa，同時(shí)，數(shù)值計(jì)算無(wú)法模擬噴霧破碎，導(dǎo)致噴霧錐角偏小。

圖10 仿真與試驗(yàn)的流量分布對(duì)比

對(duì)比仿真和試驗(yàn)得到的噴霧結(jié)果，誤差在合理的范圍內(nèi)，因此本文所建立的振蕩式噴嘴射流計(jì)算模型能夠用于射流特性的進(jìn)一步研究分析。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于前風(fēng)窗玻璃的清洗，理想的狀況是在使用較少清洗液且不影響駕駛者視線的同時(shí)，使得清洗液更廣泛地分布在玻璃表面，避免雨刮器干刮而降低其壽命和清洗效率，因此對(duì)噴嘴的霧化效果有著較高的要求。而外流場(chǎng)是噴嘴性能的直接具體體現(xiàn)，因此本文探究振蕩式噴嘴的外流場(chǎng)特性及其側(cè)壁張角對(duì)噴霧特性的影響。

4.1 振蕩式噴嘴外流場(chǎng)特性

試驗(yàn)工況下外流場(chǎng)第60～65 ms的水相體積分?jǐn)?shù)云圖如圖11所示，可以觀察到噴霧主要集中在兩側(cè)，中間區(qū)域霧滴分布較少且平均。這是因?yàn)樯淞髟诳拷诿鎱^(qū)域完成擺動(dòng)方向的切換，擺動(dòng)速度較小，相對(duì)噴霧中間區(qū)域而言停留時(shí)間長(zhǎng)。振蕩式噴嘴的這種流量分布特點(diǎn)使得在駕駛過(guò)程中清洗前風(fēng)窗玻璃時(shí)，駕駛者的主要視線區(qū)域分布較少的噴霧，減少對(duì)駕駛者視線的干擾。射流左右擺動(dòng)，并且第60 ms 時(shí)刻與第65 ms 時(shí)刻的外部射流云圖一致，呈現(xiàn)出明顯的周期性。

圖11 第60～65 ms時(shí)刻水相體積分?jǐn)?shù)云圖

如圖12 所示為試驗(yàn)工況下第69 ms 時(shí)刻的外流場(chǎng)速度云圖及速度矢量圖。從圖12a可見(jiàn)，扇形噴霧兩側(cè)速度明顯較中間區(qū)域高，但邊緣高速區(qū)并不連續(xù)，高速噴霧以液滴團(tuán)狀形式存在。因?yàn)樯淞髟诳拷诿鎱^(qū)域的擺動(dòng)速度較小，即液滴速度在X軸方向上的分量小，在Y軸方向的分量大。同時(shí)，距噴嘴出口越近，高速區(qū)越明顯，距離出口0.15 m后，液滴團(tuán)消失，這是因?yàn)樯淞髌扑槌闪溯^小的液滴，在與空氣的相互作用下，速度不斷降低且趨于均勻。從圖12b可見(jiàn)，靠近噴嘴出口處的扇形噴霧邊緣外側(cè)存在速度矢量，表明出口附近射流對(duì)空氣擾動(dòng)明顯。

圖12 射流速度云圖及速度矢量圖

4.2 側(cè)壁張角θ對(duì)噴霧特性的影響

振蕩式噴嘴結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6b。在試驗(yàn)噴嘴模型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)側(cè)壁張角分別為25°、26°、27°、28°、29°，其余結(jié)構(gòu)尺寸不變，獲得不同側(cè)壁張角θ的噴嘴模型。在網(wǎng)格劃分方法及尺度相同的前提下，對(duì)比不同側(cè)壁張角下的噴霧特性。仿真中，噴嘴入口壓力為0.2 MPa、出口壓力為0。

圖13 展示了不同側(cè)壁張角θ下的射流振蕩頻率和平均流量。由圖13 可知，θ=25°時(shí)的振蕩頻率為200 Hz，隨著θ的增大，射流振蕩頻率逐漸減小，θ=29°時(shí)下降至191 Hz。振蕩是湍流的隨機(jī)性和附壁效應(yīng)[2-5]綜合作用的結(jié)果。內(nèi)流道速度場(chǎng)如圖14所示，由圖14可知，主射流先后附壁于內(nèi)流道兩側(cè)壁面，壁面張角與射流振蕩密切相關(guān)，改變側(cè)壁張角將會(huì)改變側(cè)壁與內(nèi)流道主射流之間的空間，影響主射流在噴嘴振蕩腔中的切換行程。不同側(cè)壁張角下的切換行程如圖15 所示，由圖15可知，θ變大導(dǎo)致射流在噴嘴內(nèi)部擺動(dòng)的行程增大。而當(dāng)噴嘴入口壓力和環(huán)境背壓不變時(shí)，內(nèi)流道主射流擺動(dòng)速度變化很小，在擺動(dòng)速度不變的前提下切換行程增大導(dǎo)致周期變長(zhǎng)，又因外部射流的擺動(dòng)受內(nèi)部主射流直接驅(qū)動(dòng)，因而外部射流的振蕩頻率下降。

圖13 不同側(cè)壁張角下射流振蕩頻率和平均流量

圖14 試驗(yàn)工況下內(nèi)流道速度場(chǎng)

圖15 不同側(cè)壁張角下的切換行程對(duì)比

同時(shí)觀察到，不同壁面張角的噴嘴之間流量相差較小，都在9.65 g/s 左右，流量的相對(duì)極差Rr和變異系數(shù)Cv為：式中，xmax和xmin分別為測(cè)量值中的最大值和最小值；μ為平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

計(jì)算可得，Rr=1.79%，Cv=0.754%，所以側(cè)壁張角在25°～29°的范圍內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為壁面張角對(duì)振蕩式噴嘴的流量系數(shù)沒(méi)有影響。分析原因認(rèn)為，噴嘴流量主要由噴射壓力與環(huán)境背壓的比值及噴嘴出口的尺寸所決定，噴嘴其余結(jié)構(gòu)尺寸的改變對(duì)流量影響不大。

圖16 所示為不同側(cè)壁張角下噴嘴的噴霧水相體積分?jǐn)?shù)云圖，由圖16 可以看出，不同側(cè)壁張角下，流量分布仍然呈現(xiàn)雙峰型。圖17 所示為距離噴嘴出口200 mm處X軸位置在-42～42 mm范圍內(nèi)低流量區(qū)的流量占總流量的百分比。由圖17 可知，低流量區(qū)的流量占比隨側(cè)壁張角的增大而增大，側(cè)壁張角θ越大，切換行程越長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)部射流擺動(dòng)過(guò)程在中間停留時(shí)間占比增加，進(jìn)而導(dǎo)致外部射流低流量區(qū)分布了更多噴霧，其流量占比增加。

圖16 各側(cè)壁張角下噴霧水相體積云圖

圖17 各側(cè)壁張角下中間區(qū)域流量占比

但從圖16 中可以看出，雖然低流量區(qū)流量占比隨著側(cè)壁張角增大而增加，但其分布更加不平均。同時(shí)，由圖16可測(cè)得各壁面張角下噴霧錐角均在41°左右，其相對(duì)極差為2.89%，變異系數(shù)為1.20%，可以認(rèn)為側(cè)壁張角對(duì)振蕩式噴嘴的噴霧錐角沒(méi)有影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于某款振蕩式噴嘴，通過(guò)自主設(shè)計(jì)流量收集裝置及高速紋影試驗(yàn)測(cè)量獲得其流量分布、噴霧錐角和振蕩頻率，建立數(shù)值仿真模型，研究了噴嘴內(nèi)流道壁面張角對(duì)低壓振蕩式噴嘴噴霧性能的影響規(guī)律，從振蕩頻率、流量大小及分布和噴霧錐角多個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析。在噴嘴入口壓力為0.2 MPa、背壓為環(huán)境壓力條件下，側(cè)壁張角在25°～29°的范圍內(nèi)，得到如下結(jié)論：

a.隨著側(cè)壁張角的增大，射流擺動(dòng)周期變長(zhǎng)，導(dǎo)致外部射流振蕩頻率減小。較高的振蕩頻率有利于射流霧化，因此在一定范圍內(nèi)，振蕩式噴嘴的內(nèi)流道側(cè)壁張角應(yīng)取較小的值，以獲得更好的霧化效果。

b.不同側(cè)壁張角下噴霧流量分布均呈現(xiàn)兩側(cè)高中間低的雙峰形式，流量大小區(qū)別不大。隨著側(cè)壁張角的增大，低流量區(qū)流量占比增加，但分布更不均勻，有可能造成雨刮器的干刮，降低其壽命和清洗效率。

c.側(cè)壁張角的改變不影響噴霧錐角大小。