人工淹沒(méi)空化噴嘴的性能研究*

杜 鵬，呂順順

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

空化射流通過(guò)誘發(fā)含有空氣(水蒸汽或混合氣泡)的空泡產(chǎn)生，通過(guò)適度控制噴嘴出口截面到靶材料表面間距，使空泡發(fā)展長(zhǎng)大，又隨著射流沖擊靶材料而潰滅，空泡潰滅的瞬間產(chǎn)生的局部高溫高壓以及沖擊波，對(duì)材料表面進(jìn)行破壞，以達(dá)到清洗效果?？栈淞魈N(yùn)含著巨大的能量，但受空化效應(yīng)產(chǎn)生的條件限制，目前空化水射流大多應(yīng)用在淹沒(méi)環(huán)境中，極大地限制了空化水射流的發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)在噴嘴出口處營(yíng)造淹沒(méi)環(huán)境，構(gòu)成人工淹沒(méi)空化噴嘴，通過(guò)高低壓水的剪切作用，產(chǎn)生空化水射流。

1 空化流場(chǎng)的特性分析

影響射流空化初生的主要因素是射流的壓強(qiáng)和流速?？栈慕?jīng)典理論將液體的飽和蒸汽壓強(qiáng)視為液體發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng)。定義空化數(shù)δ0為：

其中：p0為空化初生時(shí)環(huán)境壓力；pv為飽和蒸汽壓；v0為空化初生時(shí)射流速度。

當(dāng)δ0≤1時(shí)，可以判定發(fā)生空化效應(yīng)。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用空化數(shù)判定是否發(fā)生空化的適用條件很局限，僅當(dāng)液流收縮段橫截面積與液流下流截面積之比為1∶2，且計(jì)算出的δ0≤0.5時(shí)才適用。所以在實(shí)際應(yīng)用中并不能將空化數(shù)作為產(chǎn)生空化的依據(jù)，而是以液體壓強(qiáng)是否低于其飽和蒸汽壓來(lái)判斷是否發(fā)生空化效應(yīng)[1]。當(dāng)液體壓強(qiáng)低于相應(yīng)環(huán)境下的飽和蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，液體中的微氣泡開(kāi)始爆發(fā)性生長(zhǎng)，形成直徑在20 μm以下的氣核。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)高于相應(yīng)環(huán)境下的飽和蒸汽壓時(shí)，空化泡由蒸汽變?yōu)橐后w而潰滅，在空化泡潰滅的瞬間會(huì)在液體內(nèi)產(chǎn)生“內(nèi)爆“形成空洞，在空洞附近的液體微團(tuán)會(huì)向空洞中心形成沖擊現(xiàn)象[2]，利用此能量能極大地提高射流沖擊性能。

2 物理模型和邊界條件

本文采用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行仿真分析，建立空化效果較好的角形空化噴嘴物理模型進(jìn)行模擬。以顯著影響角形噴嘴空化效果的入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑為研究變量[3]，采用物理混合空化模型、RNG к-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。物理模型的入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa[4]。

運(yùn)用Mesh軟件對(duì)建立的噴嘴和流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用Multi Zone Quad方法進(jìn)行控制，網(wǎng)格單元大小為0.01 mm，并對(duì)噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行加密。生成的網(wǎng)格全部為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約有19萬(wàn)個(gè)，檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量大于0.8，表明網(wǎng)格質(zhì)量很好，可以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3 角形噴嘴數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對(duì)空化水射流的影響

擴(kuò)張角為20°，喉管直徑為1 mm，收縮角為30°，入口壓力分別為10 MPa和100 MPa時(shí)的流場(chǎng)速度云圖和含氣率分布云圖如圖1和圖2所示。由圖1可以看出：當(dāng)噴嘴入口壓力為10 MPa時(shí)，射流在噴嘴軸線上最大速度為201 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為9 mm，由于在淹沒(méi)環(huán)境下，受液體阻礙射流速度衰減很快，射流的最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍約為17 mm。由圖2可以看出：當(dāng)噴嘴入口壓力為100 MPa時(shí)，射流在噴嘴軸線上最大速度為313 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為12 mm，射流的最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍約為20 mm。通過(guò)對(duì)比可知，噴嘴入口壓力對(duì)流場(chǎng)中的流速和空化效應(yīng)影響很大，可知在淹沒(méi)環(huán)境下，射流空化的產(chǎn)生主要受射流最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍影響，射流最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍越大，產(chǎn)生的低壓區(qū)越大，產(chǎn)生的空化氣泡體積越大。

圖1 入口壓力10 MPa時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖2 入口壓力100 MPa時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖3為射流在流場(chǎng)中的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的變化情況。由圖3可以看出：射流的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的增大而增大。因此，為了保證射流中空化氣泡的產(chǎn)生,可適當(dāng)增加噴嘴的入口壓力。但噴嘴入口壓力的增加伴隨著泵壓的增大，可根據(jù)實(shí)際條件選取合適的入口壓力。

圖3 最大流速和含氣率隨入口壓力變化曲線

3.2 擴(kuò)張角對(duì)空化射流的影響

壓力為20 MPa，收縮角為30°，喉管直徑為1 mm，擴(kuò)張角分別為10°和60°時(shí)的流場(chǎng)速度云圖和含氣率分布云圖如圖4和圖5所示。由圖4可以看出：當(dāng)擴(kuò)張角為10°時(shí)，射流在噴嘴軸線上最大速度為198 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為7 mm，射流在流場(chǎng)中的的最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍約為18 mm。由圖5可以看出：當(dāng)擴(kuò)張角為60°時(shí)，射流在噴嘴軸線上最大速度為201 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為10 mm，射流的最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍約為15 mm。由圖4和圖5對(duì)比可知：擴(kuò)張角的大小對(duì)最大流速的影響不顯著，但擴(kuò)張角大小決定著射流在噴嘴出口處的壓力分布。噴嘴出口處的壓力分布直接影響著射流的擾動(dòng)范圍，可以看出在噴嘴擴(kuò)散角為60°時(shí)產(chǎn)生的氣相體積要大于擴(kuò)散角為10°時(shí)產(chǎn)生的氣相體積，可知擴(kuò)張角的大小對(duì)空化氣泡的產(chǎn)生影響效果顯著。

圖4 擴(kuò)張角為10°時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖5 擴(kuò)張角為60°時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖6為射流在流場(chǎng)中的最大流速和含氣率隨擴(kuò)張角的變化情況。由圖6可以看出：隨著擴(kuò)張角的增大，射流在流場(chǎng)中的最大流速變化波動(dòng)小，含氣率先增大后減少。擴(kuò)張角的大小對(duì)角形噴嘴在軸線上的最大流速影響不明顯，最大流速波動(dòng)范圍在9 m/s之內(nèi)，擴(kuò)張角的改變主要通過(guò)影響射流在流場(chǎng)中的擾動(dòng)范圍影響含氣率的大小。擴(kuò)張角為60°時(shí)，含氣率最高，空化效果最好。

圖6 流場(chǎng)最大流速和含氣率隨擴(kuò)張角變化曲線

3.3 喉管直徑對(duì)空化射流的影響

角形噴嘴入口壓力為20 MPa，擴(kuò)張角為60°，收縮角為30°，喉管直徑分別為1 mm和3 mm時(shí)的流場(chǎng)速度云圖和含氣率分布云圖如圖7和圖8所示。由圖7可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為202 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為10 mm，最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍約為15 mm。由圖8可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為201 mm/s，空化氣泡分布的最大距離約為11 mm，最大流動(dòng)距離和擾動(dòng)范圍大于20 mm。通過(guò)對(duì)比可以看出，喉管直徑對(duì)噴嘴在軸線上的最大流速影響不顯著，但對(duì)空泡的產(chǎn)生有一定影響?？梢钥闯霎?dāng)喉管直徑增大時(shí)，對(duì)含氣率分布的最大距離影響很小，但對(duì)空化產(chǎn)生的形態(tài)影響比較顯著。當(dāng)喉管增大至3 mm時(shí)，射流中心部分不會(huì)再產(chǎn)生空化效果，可知喉管直徑顯著影響射流的空化效果。

圖7 喉管直徑為1 mm時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖8 喉管直徑為3 mm時(shí)的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖9為在噴嘴入口壓力為20 MPa、擴(kuò)張角為60°時(shí)流場(chǎng)速度和含氣率隨著喉管直徑的變化情況。由圖9可以看出：流場(chǎng)中的含氣率隨著喉管直徑的增加先增加后減少，當(dāng)喉管直徑為2 mm時(shí)，流場(chǎng)中的含氣率最高。這是由于在入口壓力20 MPa下，喉管由2 mm增大時(shí)，擴(kuò)散段壁面的影響限制了空化氣泡的產(chǎn)生。所以進(jìn)行角形噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)，可以優(yōu)先考慮把喉管直徑設(shè)計(jì)成2 mm。

圖9 最大流速和含氣率隨喉管直徑的變化曲線

4 人工淹沒(méi)空化噴嘴仿真分析

通過(guò)對(duì)角形噴嘴的入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑數(shù)值模擬可知，入口壓力越大流場(chǎng)中的含氣率越高，擴(kuò)張角取60°時(shí)流場(chǎng)中的含氣率最高，喉管直徑取2 mm時(shí)流場(chǎng)中的含氣率最高。所以在角形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先把擴(kuò)張角設(shè)計(jì)成60°，喉管直徑設(shè)計(jì)成2 mm，入口壓力在條件允許的前提下越大越好。通過(guò)上述角形噴嘴含氣率分布云圖可知，射流發(fā)生空化的階段主要發(fā)生在出口處，所以在出口處營(yíng)造淹沒(méi)環(huán)境即可促進(jìn)空化氣泡的產(chǎn)生，形成空化射流。為此本文在上述角形噴嘴的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種人工淹沒(méi)空化噴嘴，噴嘴剖面尺寸如圖10所示， 入口1為壓力入口，入口2為速度入口，收縮角為30°，擴(kuò)散角為60°，喉管直徑為2 mm。

圖10 人工淹沒(méi)空化噴嘴剖面圖

圖11為人工淹沒(méi)空化噴嘴的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖。其邊界條件為：入口1壓力為20 MPa，入口2速度為2 m/s，外部流場(chǎng)為空氣。圖12為相同尺寸的角形噴嘴的流場(chǎng)速度云圖和含氣率分布云圖，其邊界條件為：入口壓力為20 MPa，外部流場(chǎng)為液態(tài)水。由圖11可知：人工淹沒(méi)空化噴嘴在軸線上的最大流速為279 m/s，空化氣泡分布的最大距離為5 mm，由于人工淹沒(méi)噴嘴外部流場(chǎng)為大氣環(huán)境，速度衰減很慢，在出口40 mm處仍能保持流速達(dá)170 m/s左右。由圖12可知：角形噴嘴在軸線上的最大流速為203 m/s，空化氣泡分布的最大距離為5 mm，而角形噴嘴在淹沒(méi)環(huán)境下最大擾動(dòng)范圍只能保持在30 mm左右。從圖11和圖12的含氣率分布云圖對(duì)比可知，人工淹沒(méi)空化噴嘴也能有效產(chǎn)生空化氣泡，并維持到大氣環(huán)境中。

圖11 人工淹沒(méi)空化噴嘴的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

圖12 角形噴嘴的流場(chǎng)速度和含氣率分布云圖

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)流體力學(xué)軟件FLUENT能較好地模擬空化噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)和外部流場(chǎng)的流速和空化氣泡的產(chǎn)生及分布情況。通過(guò)數(shù)值模擬可知，在淹沒(méi)環(huán)境下角形噴嘴空化氣泡的產(chǎn)生部位主要在噴嘴擴(kuò)散段及離出口10 mm范圍內(nèi)，人工淹沒(méi)空化噴嘴空化氣泡的產(chǎn)生主要在出口處營(yíng)造的淹沒(méi)環(huán)境段，并能維持到大氣環(huán)境中。

(2) 影響角形噴嘴產(chǎn)生空化射流的關(guān)鍵因素為入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑。在保持其他條件相同的情況下，噴嘴的入口壓力越大、擴(kuò)張角為60°、喉管直徑為2 mm時(shí)，空化效果更好。

(3) 人工淹沒(méi)空化噴嘴在大氣環(huán)境中使用，能和角形噴嘴在淹沒(méi)環(huán)境下產(chǎn)生相同的空化效果，且人工淹沒(méi)噴嘴產(chǎn)生的射流速度衰減緩慢。