船舶表面高壓水射流清洗實(shí)驗(yàn)與仿真

張悅，曹宇鵬，陸華，楊陽

(1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019;2.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006;3.南通振華重型裝備制造有限公司，江蘇 南通 226006)

噴砂清洗因?yàn)槲廴緡?yán)重已被發(fā)達(dá)國家全面禁止，高壓水射流清洗作為船舶表面清洗新技術(shù)，通過射流的沖擊動能，去除材料表面污染物。其具有效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于世界各國的清洗行業(yè)[1]。眾多學(xué)者對船舶高壓水射流清洗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[2-4]與仿真[5-7]分析，得到了適用于不同污染物的清洗壓力，對于解決水射流的實(shí)際應(yīng)用問題具有重要意義。高壓水射流清洗效率主要取決于水射流動壓和射流作用范圍[8]，目前關(guān)于水射流清洗效率與水射流主要參數(shù)之間規(guī)律，以及其與水射流動壓相互關(guān)系的相關(guān)分析還鮮有報(bào)道。因此，關(guān)于船舶表面清洗參數(shù)選擇仍然比較隨意，資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。為解決船舶表面高壓水射流清洗壓力使用混亂問題，提高水射流清洗效率及優(yōu)化水射流清洗壓力與流量搭配。采用Fluent軟件對入口壓力20 MPa，靶距10～70 mm和靶距70 mm,入口壓力20～100 MPa 2種情況下水射流流場進(jìn)行仿真分析；以水射流流場混合相速度值等值線圖代表射流清洗半徑范圍，測量并計(jì)算出射流半徑寬度，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，為高壓水射流清洗技術(shù)的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為射流除銹效率主要取決于射流動能與射流面積：靶距小，射流面積小，除銹效率低；靶距大，射流動壓削弱，難以達(dá)到除銹效果。文獻(xiàn)[9-10]發(fā)現(xiàn)水射流壓力為10 MPa即可去除鋼板表面油漆污垢及輕度浮銹，靶距為70 mm時沖蝕效果最明顯；因此，仿真和實(shí)驗(yàn)選擇最低壓力20 MPa，最大靶距70 mm。

1.1 建立物理模型

仿真采用計(jì)算域半徑50 mm，射流從左側(cè)壓力入口進(jìn)入經(jīng)噴嘴射出作用在試樣表面，射流作用面積近似圓形。根據(jù)射流的對稱性，降低計(jì)算量，選取平面二分之一模型。選取Mixture兩相流模型，縮放型噴嘴結(jié)構(gòu)及邊界條件見圖1(喉管直徑1 mm，長度4 mm，擴(kuò)散角60°)。壓力入口分別選取20～100 MPa,壁面為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，軸線為axis,壓力出口為大氣壓力。使用Gambit軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)及邊界條件

1.2 控制方程

不可壓縮流體連續(xù)性方程：

(1)

式中：u為流速；x為坐標(biāo)方向。

動量方程：

(2)

式中：ρ為液體密度；p為壓力；μ為流體動力黏度；fi為單位質(zhì)量力；μeff為有效黏度，μeff=μ+μt。

由于水射流處于高湍流狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-espilon模型，湍動能與耗散率方程如下。

湍動能k方程：

(3)

耗散率ε方程:

(4)

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力對水射流清洗工藝的影響

在入口壓力為20，40，60，80，100 MPa，靶距70 mm時,利用Fluent軟件對噴嘴流場進(jìn)行仿真分析。圖2為不同壓力下靶距70 mm射流半徑變化規(guī)律。由圖2可知，在靶距為70 mm的情況下，射流半徑寬度從20 MPa壓力下的4.8 mm降低到60 MPa壓力下4.23 mm,降低了11.9%。射流半徑寬度從60 MPa壓力下4.23 mm降低到100 MPa壓力下4.1 mm，僅降低了3.1%。由此可知，射流半徑寬度隨著入口壓力的增大而逐漸減小，但減小的趨勢在60 MPa以后逐漸平緩，趨于一定值。這是因?yàn)樯淞髟谙嗤芯嘞螺^大的射流壓力使得到達(dá)此靶面上的射流速度較大，射流不會輕易發(fā)散，射流半徑寬度相對較小。因此，在一定的靶距下，射流壓力越小清洗面積越大，但不應(yīng)低于污染物與基體的結(jié)合力，綜合考慮清洗效率變化，壓力應(yīng)選取60 MPa。

圖2 不同壓力下靶距70 mm射流半徑變化

圖3為靶距70 mm下射流軸線上動壓隨射流入口壓力變化規(guī)律。由圖3可知，射流軸線動壓隨著入口壓力的增大而逐漸變大，且變化趨勢趨于一致。在70 mm靶距下，入口壓力20 MPa增加到100 MPa，射流軸線動壓由10.1 MPa增加到56.8 MPa，提高約5倍，其增長趨勢與入口壓力變化成正相關(guān)?？梢娚淞鲃訅号c射流壓力有密切關(guān)系，而與靶距大小關(guān)系不大。

圖3 靶距70 mm下射流軸線上動壓變化

由圖2、3可知，必須在選取清洗壓力的同時考慮到清洗的面積，應(yīng)該選取兩者的最優(yōu)搭配。對于清洗表面附著力不大的污染物，在保證射流動壓足夠的同時，為獲得較大的清洗面積，射流優(yōu)選壓力應(yīng)為60 MPa。相對于更小壓力，其射流動壓較大，清洗速度較快；相對于更高壓力，其射流清洗面積變化相對提高了3倍，顯著提高了清洗效率。

2.2 靶距對水射流清洗工藝的影響

在入口壓力為20 MPa，靶距10～70 mm時，利用Fluent軟件對噴嘴流場進(jìn)行仿真分析。圖4為射流軸線動壓隨靶距變化圖。由圖4可知，射流在喉管處射流速度與動壓最大，最大動壓約25.9 MPa，隨后動壓迅速下降到12.7 MPa，這是由于射流在噴嘴出口處與空氣混合成為兩相流動，射流產(chǎn)生發(fā)散并與空氣產(chǎn)生動量交換，射流速度和動壓迅速下降。在靶距10 mm后射流速度與動壓衰減趨于平緩。從出口靶距10 mm處到靶距為70 mm處,射流軸線動壓由12.0 MPa降低為10.1 MPa，射流動壓降低約15.8%。

圖4 20 MPa壓力下軸線動壓變化

圖5為射流半徑隨靶距變化規(guī)律。0點(diǎn)為噴嘴出口。由圖5可知，射流半徑從靶距10 mm處2.81 mm到靶距30 mm處提高為3.67 mm,射流半徑增加了30.7%；射流半徑從靶距30 mm處3.67 mm到靶距50 mm處提高為4.23 mm,射流半徑增加了15.3%；射流半徑從靶距50 mm處4.23 mm到靶距70 mm處提高為4.80 mm,射流半徑增加了13.5%。射流從噴嘴射出并逐漸向外發(fā)散，射流寬度迅速增加。射流寬度在30 mm靶距內(nèi)增長較快，在靶距30 mm之后射流寬度增長趨于一致。

圖5 20 MPa壓力下射流半徑隨靶距變化

射流動壓隨著靶距增大而減小，射流作用面積與靶距有密切關(guān)系，隨著靶距增加，射流寬度與作用面積大幅度增加，在靶距30 mm以內(nèi)增長最為迅速，之后增長趨于一致。相較于射流動壓的降低幅度從靶距10～70 mm的15.8%，射流打擊范圍的變化更為明顯，尤其在靶距30 mm以內(nèi)，其每20 mm靶距下清洗面積增長速度30%比更大靶距提高近1倍。因此，如果在射流動壓足夠大的情況下也可適當(dāng)提高靶距以增加射流作用面積，若同時考慮動壓隨靶距的衰減變化，則水射流清洗靶距應(yīng)取在30 mm，使得射流動壓足夠大且清洗面積成倍增加，其射流清洗效率將顯著提高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將船舶用鋼A板切割成30 mm×30 mm的尺寸，并用拋光機(jī)拋光，在鋼板上涂一層防銹漆作為水射流清洗試樣。采用與模擬相同型號的噴嘴結(jié)構(gòu)，水射流壓力采用20 MPa,靶距50，70 mm,水射流沖擊試樣30 s，試樣表面清洗面積變化不再明顯，沖擊面積近似圓形。使用Matlab圖像處理計(jì)算出射流清洗后表面油漆去除面積占比。當(dāng)靶距為50 mm時射流清洗油漆去除面積占比3.28%，靶距為70 mm時油漆去除面積占比4.46%。按圓的面積計(jì)算，油漆去除半徑分別為靶距50 mm時的3.76 mm和靶距70 mm的4.42 mm，增長了14.9%。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果增長的13.5%僅相差1.4%，證明利用流場混合相速度等值線圖分析射流清洗半徑變化趨勢是可靠的，仿真具有可信度。

仿真結(jié)果中射流半徑寬度4.80 mm比實(shí)驗(yàn)中4.42 mm要大7.92%。主要原因是仿真計(jì)算出來只是射流作用范圍，沒有考慮材料與涂層結(jié)合力大??；射流動壓在軸線處動壓最大，沿著徑向逐漸衰減；在距離軸線較遠(yuǎn)處射流動壓太小，不足以去除材料表面涂層。實(shí)驗(yàn)中射流動壓要大于材料與涂層結(jié)合力才能將材料去除，因此,仿真結(jié)果比實(shí)驗(yàn)中獲得的清洗半徑要大。

射流中心區(qū)域有大約2 mm直徑的損傷孔洞，這是因?yàn)樯淞髦行膮^(qū)域壓力較大，射流沖蝕使得表面材料脫落。圖6為掃描電鏡拍攝射流中心區(qū)域，觀察到射流中心區(qū)域有球狀析出物，且存在山脊?fàn)钔蛊鹞?，使得表面粗糙度降低，硬度下降，材料表面質(zhì)量變差。具體析出物成分及表面質(zhì)量變化機(jī)理有待進(jìn)一步分析。

圖6 中心沖蝕區(qū)表面形貌

4 結(jié)論

1)通過對噴嘴流場仿真分析，在靶距一定時，隨著入口壓力的增大，射流動壓逐漸增大，射流半徑寬度減少，但減小幅度逐漸變小，且趨于一定值;入口壓力一定時，水射流動壓隨靶距增大而減小，射流半徑寬度隨靶距增大而逐漸增大。

2)仿真結(jié)果表明，綜合考慮射流動壓與半徑的情況下射流清洗效率最高的參數(shù)：靶距70 mm時，最優(yōu)清洗壓力為60 MPa；入口壓力20 MPa時，水射流最優(yōu)清洗靶距應(yīng)在30 mm。

3)實(shí)驗(yàn)采用與仿真相同型號噴嘴和入口壓力，發(fā)現(xiàn)不同靶距下鋼板表面油漆去除面積變化規(guī)律與仿真結(jié)果高度吻合，證明仿真結(jié)果具有可信度。