剪切型空化水射流噴嘴解離石墨顆粒的流場特性

董 星， 陸 松， 常 祿

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

空化水射流是指通過一定的發(fā)生裝置在水射流中產(chǎn)生空化氣泡，利用空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊力增強(qiáng)射流作用效果的混合水射流[1-2]。它是空蝕原理與水射流技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是高壓水射流技術(shù)的一個(gè)重要分支。目前空化水射流技術(shù)已經(jīng)推廣應(yīng)用到機(jī)械制造、冶金礦山、粉體工程、消防安全、船舶工程等領(lǐng)域，用于強(qiáng)化、鉆孔、粉碎、滅塵、清洗等作業(yè)[3-4]。

空化噴嘴是實(shí)現(xiàn)在水射流內(nèi)誘發(fā)空泡初生的關(guān)鍵元件，通過合理調(diào)節(jié)射流靶距可以促使初生空泡的不斷發(fā)展長大，并在射流沖擊靶材處發(fā)生空泡突然潰滅，達(dá)到空蝕破壞的效果。因此，為了獲得空化水射流流場特性，一些學(xué)者分別通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了相應(yīng)的研究成果[5-11]，但采用空化水射流技術(shù)解離鱗片石墨的研究還鮮見報(bào)道。筆者采用高速攝像機(jī)對設(shè)計(jì)的剪切型噴嘴的射流結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像觀察，獲得空化水射流結(jié)構(gòu)；應(yīng)用FLUENT軟件對剪切型空化水射流噴嘴解離鱗片石墨過程進(jìn)行全流場數(shù)值模擬，獲得石墨顆粒流場特性，為空化水射流解離鱗片石墨奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 射流空化實(shí)驗(yàn)

1.1 空化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

射流空化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由水箱、過濾器、高壓泵、壓力表、溢流閥、高壓管、噴嘴、空化箱、溢流管、收集箱、無頻閃光源、高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等組成。水箱儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)用水，水為普通自來水；過濾器濾去水中的塵埃、微粒、礦物質(zhì)沉淀物等，減少對過流部件的磨損和腐蝕，延長各部件的使用壽命；高壓泵為三柱塞清水泵，將水增壓至工作壓力，為射流空化實(shí)驗(yàn)提供連續(xù)穩(wěn)定的壓力用水；溢流閥用于調(diào)控實(shí)驗(yàn)用射流壓力；噴嘴將水的壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的水射流，本次射流空化實(shí)驗(yàn)采用可視化對比實(shí)驗(yàn)法，利用的噴嘴分別為出口直徑相等的出口帶圓柱段圓錐收斂型噴嘴和圓錐收斂剪切型噴嘴(圖2和圖3)，進(jìn)行射流空化效果對比。空化箱蓄水至溢流口的位置，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的淹沒環(huán)境，保持噴嘴所在位置的圍壓；無頻閃光源產(chǎn)生高速攝像需要的光照強(qiáng)度和區(qū)域；高速攝像機(jī)為IDT Y4-S3型高速攝像機(jī)，用于水射流結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)捕捉。

圖1 射流空化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 圓錐收斂型噴嘴

圖3 剪切型噴嘴

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)前，通過調(diào)節(jié)噴嘴淹沒在空化箱液面下的深度，設(shè)定噴嘴出口圍壓為0.01 MPa，通過調(diào)節(jié)溢流閥開度控制噴嘴射流壓力。采用圖像法[12-14]判斷兩種形式的噴嘴射流是否產(chǎn)生空化現(xiàn)象，即當(dāng)初始均勻的水射流中出現(xiàn)空泡時(shí)則認(rèn)為出現(xiàn)了空化現(xiàn)象。高速攝像機(jī)記錄獲得的兩種噴嘴出口的射流結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 射流結(jié)構(gòu)

由圖4可以看出，出口帶圓柱段圓錐收斂型噴嘴形成的水射流在噴嘴出口位置沒有肉眼可見氣泡產(chǎn)生，沒有產(chǎn)生空化現(xiàn)象；圓錐收斂剪切型噴嘴形成的水射流在噴嘴出口位置出現(xiàn)大量肉眼可見氣泡，并出現(xiàn)典型的空化云結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了明顯空化現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)的剪切型噴嘴可以產(chǎn)生穩(wěn)定的空化水射流，為接續(xù)開展的數(shù)值模擬研究提供了正確的噴嘴結(jié)構(gòu)。

2 射流石墨顆粒流場數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

采用SolidWorks軟件建立剪切型噴嘴的幾何模型。該幾何模型由入口圓錐收斂段、圓柱段、出口圓錐擴(kuò)散段和外流場圓柱體4部分組成。根據(jù)解離鱗片石墨顆粒工藝要求，取噴嘴圓錐收斂段的入口直徑為7 mm，收斂角為30°，收斂段長度為9.3 mm；圓柱段的直徑為2 mm，長度為10 mm；出口圓錐擴(kuò)散段的擴(kuò)散角為60°，長度為10 mm；噴嘴外流場的長度為20.7 mm，直徑為30 mm。

2.2 有限元模型

采用FLUENT軟件前處理模塊GAMBIT進(jìn)行水射流全流場幾何模型網(wǎng)格劃分，模型全局采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在物理量變化比較劇烈的入口圓錐收斂段的出口部位、圓柱段和出口圓錐擴(kuò)散段的入口部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高這些部位的計(jì)算精度。劃分后網(wǎng)格的單元數(shù)為9 683個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 974個(gè)，有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

2.3 計(jì)算方法與邊界條件

多相流動(dòng)模型選擇歐拉模型，設(shè)置水為主項(xiàng)、石墨顆粒為次項(xiàng)，湍流模型選擇k-ε模型，求解方法中壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，動(dòng)量方程、湍流運(yùn)輸方程均采用一階迎風(fēng)格式。噴嘴的入口邊界條件和外流場的出口邊界條件分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口，通過改變噴嘴入口壓力獲得壓力對石墨顆粒流場特性的影響，近壁面處選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.4 模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬研究了射流噴嘴入口壓力分別為10、15、20、25和30 MPa時(shí)，石墨顆粒流場的分布規(guī)律。

2.4.1 壓力對石墨顆粒流場軸向速度的影響

圖6給出了噴嘴入口壓力p分別為10、15、20、25和30 MPa時(shí)，射流石墨顆粒流場的軸向速度va分布云圖。

RDD是一種罕見的非惡性增生性疾病，在1969年由 Rosai和 Dorfman首次正式命名[3]。1990年，F(xiàn)oucar等[7]對RDD進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)回顧，詳細(xì)描述了淋巴結(jié)的和結(jié)外RDD的臨床病理特征，并認(rèn)為43%的患者至少有一個(gè)結(jié)外受侵的部位。RDD的原因目前尚不清楚，可能與病毒或某種微生物感染有關(guān)[12，13]，也可能是一種不確定的自身免疫性疾病[14]。在淋巴結(jié)和結(jié)外的受侵部位中，頭頸部區(qū)域較常見。

圖6 石墨顆粒流場軸向速度分布云圖

由圖6可以看出， 不同入口壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸向速度分布規(guī)律相同，且具有明顯的軸對稱性。在射流進(jìn)入外流場后，石墨顆粒與周圍靜止的水由于介質(zhì)密度差較大，兩種介質(zhì)發(fā)生剪切的強(qiáng)度增大，相互摻混更加劇烈，石墨顆粒軸向速度的邊界呈現(xiàn)明顯的不規(guī)則形狀。

圖7給出了噴嘴入口壓力分別為10、15、20、25和30 MPa時(shí)，射流石墨顆粒流場軸心速度vc分布曲線。圖8給出了噴嘴入口壓力為10 MPa，軸向位置坐標(biāo)分別為5 mm(收斂段內(nèi))、19.3 mm(圓柱段出口)、20.0、22.0、25.0(擴(kuò)散段內(nèi))和29.3 mm(擴(kuò)散段出口)的截面上，石墨顆粒流場軸向速度分布。

圖7 石墨顆粒流場軸心速度分布曲線

由圖7可以看出，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，不同入口壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心速度變化規(guī)律相同，即從噴嘴入口起，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心速度開始逐漸增大，在某一位置坐標(biāo)處達(dá)到最大軸心速度，然后軸心速度逐漸減小，直至外流場右邊界軸心速度不再變化。

在噴嘴圓錐收斂段，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，噴嘴過流斷面面積逐漸減小，石墨顆粒流場的軸心速度迅速增大；在圓錐收斂段出口位置坐標(biāo)9.3 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心速度分別為88.92、109.08、126.17、141.25、154.90 m/s。

在噴嘴圓柱段，雖然噴嘴過流斷面面積不變，但由于在液固兩相流動(dòng)中，石墨顆粒流場速度小于水流場速度，存在速度滑移，水流場對石墨顆粒流場有一個(gè)牽引力作用，則石墨顆粒流場的軸心速度繼續(xù)增大，只是增加的相對減緩；在圓柱段出口位置坐標(biāo)19.3 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心速度分別為104.62、128.53、148.76、166.56、182.67 m/s。

圖8 橫截面上石墨顆粒軸向速度分布

在噴嘴擴(kuò)散段，雖然隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，噴嘴過流斷面面積逐漸增大，但由于在液固兩相流動(dòng)中，水流場速度存在一個(gè)等速核，在等速核區(qū)段內(nèi)水流場對石墨顆粒流場仍然存在牽引加速作用，在這個(gè)區(qū)段內(nèi)石墨顆粒流場的軸心速度仍在繼續(xù)增大，在擴(kuò)散段內(nèi)位置坐標(biāo)21 mm處軸心速度達(dá)到最大值，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場軸心速度最大值分別為108.34、133.14、153.99、172.41、189.09 m/s，然后軸心速度逐漸減小。在外流場，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心速度逐漸減小，在外流場右邊界位置坐標(biāo)50 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場軸心速度分別為86.51、106.47、123.19、138.03、151.43 m/s。

在接近噴嘴壁面處速度梯度較大，射流各點(diǎn)速度差也較大。由圖8c、d、e、f分別可以看出，在噴嘴擴(kuò)散段20 mm位置處，橫截面上石墨顆粒流場的軸向速度呈拋物線分布規(guī)律；在擴(kuò)散段22.0、25.0、29.3 mm位置處，橫截面上石墨顆粒流場的軸向速度最初呈正態(tài)分布規(guī)律，之后正態(tài)分布下部發(fā)生變形，且在噴嘴中心部分的高速部分逐漸減小，接近噴嘴壁面的低速部分逐漸增大，速度梯度總體上在逐漸減小。速度梯度的存在使石墨顆粒之間發(fā)生速度滑移，產(chǎn)生相互作用力，實(shí)現(xiàn)石墨顆粒之間相互剝離，這在一定程度上提高了石墨顆粒的解離效果。

2.4.2 壓力對石墨顆粒流場軸向動(dòng)壓強(qiáng)的影響

圖9給出了噴嘴入口壓力分別為10、15、20、25和30 MPa時(shí)，射流石墨顆粒流場的軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖。由圖9可以看出，不同入口壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，也具有明顯的軸對稱性。與軸向速度分布云圖相比，在噴嘴的圓錐收斂段和圓柱段，兩種云圖的規(guī)律性相似，但在噴嘴擴(kuò)散段和外流場，軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖的邊界相對比較規(guī)則，且射流寬度小于軸向速度的射流寬度。

圖10給出了噴嘴入口壓力分別為10、15、20、25和30 MPa時(shí)，射流石墨顆粒流場軸心動(dòng)壓強(qiáng)pc分布曲線。由圖10可以看出，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，不同入口壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)變化規(guī)律相同，且與軸心速度分布曲線變化規(guī)律也相同。即從噴嘴入口起，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)開始逐漸增加，在某一位置坐標(biāo)處達(dá)到最大軸心動(dòng)壓強(qiáng)，然后軸心動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小，直至外流場右邊界軸心動(dòng)壓強(qiáng)不再變化。

圖9 石墨顆粒流場軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖

圖10 石墨顆粒流場軸心動(dòng)壓強(qiáng)分布曲線

在噴嘴圓錐收斂段，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)迅速增大；在圓錐收斂段出口位置坐標(biāo)9.3 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為8.3、12.5、16.4、21.0、25.2 MPa。

在噴嘴圓柱段，石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)繼續(xù)增加，只是增加相對減緩；在圓柱段出口位置坐標(biāo)19.3 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為11.5、17.3、23.2、29.1、35.0 MPa。

在噴嘴擴(kuò)散段，石墨顆粒流場在射流等速核區(qū)段內(nèi)軸心動(dòng)壓強(qiáng)仍繼續(xù)增加；在擴(kuò)散段內(nèi)位置坐標(biāo)21 mm處達(dá)到最大值，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場軸心動(dòng)壓強(qiáng)最大值分別為12.3、18.6、24.9、31.2、37.5 MPa，然后軸心動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小。在外流場，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小，在外流場右邊界位置坐標(biāo)50 mm處，不同壓力時(shí)石墨顆粒流場軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為7.9、11.9、15.9、20.0、24.1 MPa。

3 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)的圓錐收斂剪切型噴嘴形成的水射流產(chǎn)生大量肉眼可見氣泡，并出現(xiàn)典型的空化云結(jié)構(gòu)，發(fā)生了明顯空化現(xiàn)象，可以形成穩(wěn)定的空化水射流。

(2)石墨顆粒流場的軸向速度與軸向動(dòng)壓強(qiáng)的分布規(guī)律相同，均具有明顯的軸對稱性；但在噴嘴擴(kuò)散段和外流場，軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖的邊界相對比較規(guī)則，射流寬度小于軸向速度的射流寬度。

(3)石墨顆粒流場軸向速度在噴嘴橫截面上存在速度梯度，使石墨顆粒之間發(fā)生速度滑移，產(chǎn)生相互作用力，可以實(shí)現(xiàn)石墨顆粒的相互剝離。

(4)石墨顆粒流場的軸心速度與軸心動(dòng)壓強(qiáng)的變化規(guī)律相同；從噴嘴入口起，隨著軸向位置坐標(biāo)的增加，石墨顆粒流場的軸心速度與軸心動(dòng)壓強(qiáng)均開始逐漸增大，在位置坐標(biāo)21 mm的擴(kuò)散段處均達(dá)到最大值，然后逐漸減小，直至外流場右邊界不再變化。