兩段式噴嘴淹沒(méi)空化射流流場(chǎng)數(shù)值模擬

董景明，李 帥，鐘 蕭，蒙榮軒

（大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

船舶在海洋中長(zhǎng)時(shí)間航行后，浸沒(méi)在海水中的船體表面被粘附有生物貝類、藻類植物等海生物所污損，這會(huì)增大船舶表面的粗糙度，最大可增加84%的船舶航行阻力，降低10%的航速，增加燃油消耗而排放更多的溫室氣體［1］。此外，已有研究表明船舶污底是入侵水生物轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要媒介［2］，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。目前，清洗船舶海生物污垢的方式主要是塢內(nèi)清洗、防污漆和定期水下清洗［3］。塢內(nèi)清洗需要船舶進(jìn)塢，通過(guò)人工和高壓水射流清洗2種方式。人工刮鏟存在清洗效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大和清潔成本高等缺點(diǎn)。高壓水射流清洗具有環(huán)保、清洗效率高、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。但實(shí)際清洗作業(yè)中，壓力過(guò)小無(wú)法有效去除附著結(jié)實(shí)的海生物，壓力過(guò)大會(huì)破壞船舶母材，且高壓水射流清洗應(yīng)用于水下工作時(shí)存在壓力衰減嚴(yán)重等問(wèn)題。防污漆通過(guò)噴涂在船體表面的防污涂層逐漸釋放殺菌劑來(lái)有效殺死或減慢海生物生長(zhǎng)。防污效果會(huì)隨著涂料的老化大大降低，因此需要定期重新噴涂防污涂料。水下清洗船舶無(wú)需進(jìn)塢，節(jié)約時(shí)間和清洗成本?，F(xiàn)階段水下清洗方式主要是靠潛水員手持刮鏟、轉(zhuǎn)刷進(jìn)行船體表面清洗，效率低危險(xiǎn)性高?？栈淞髑逑淳哂协h(huán)保、高效、節(jié)能、安全性高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水下清洗［4］、切割［5］、材料測(cè)試［6］、地下鉆井［7］等。

噴嘴作為空化射流發(fā)生的關(guān)鍵裝置，其結(jié)構(gòu)的改變會(huì)對(duì)空化效果產(chǎn)生顯著的影響。如何進(jìn)一步通過(guò)噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高空化效果，成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。萬(wàn)春浩等［8］研究角形噴嘴的直徑段直徑大小對(duì)空化效果的影響，研究表明增大圓柱段直徑會(huì)增強(qiáng)空化。孫鵬飛等［9］通過(guò)在亥姆霍茲噴嘴出口處添加擴(kuò)張管結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到增強(qiáng)空化效果。WANG等［10］研究了亥姆霍茲噴嘴的結(jié)構(gòu)和幾何形狀對(duì)自激振蕩空化效應(yīng)和能效的影響。HITOSHI［11］研究了各種類型的噴嘴幾何形狀對(duì)侵蝕速率的影響，結(jié)果表明在最佳沖距下侵蝕速率是侵蝕時(shí)間的函數(shù)，侵蝕速率取決于噴嘴的幾何形狀。LI等［12］研究了風(fēng)琴管?chē)娮斐隹诮嵌葘?duì)射流軸向壓力振蕩的影響，結(jié)果表明出口角度對(duì)軸向壓力產(chǎn)生較大影響。同時(shí)研究表明，出口角會(huì)影響噴嘴出口形狀和射流之間的相互作用，提高風(fēng)琴管?chē)娮斓膶?shí)際工作效率。CAI等［13］研究了不同噴嘴出口形狀對(duì)空化侵蝕特性的影響，結(jié)果表明存在最佳的出口尺寸使侵蝕效果最佳。池本徹等［14］提出一種新型兩段式噴嘴并成功使冷凍機(jī)系統(tǒng)COP提高了50%。其主要工作原理是液態(tài)制冷劑會(huì)在第一段噴嘴內(nèi)產(chǎn)生氣泡，隨著噴嘴內(nèi)面積增大壓力提高，氣泡會(huì)破裂產(chǎn)生氣泡核，隨后在第二段噴嘴中主引射制冷劑急速膨脹，液滴微?；?，達(dá)到液滴與氣體流速相等的近似于勻質(zhì)流狀態(tài)的目的。郭憲民等［15-17］將兩段式噴嘴改進(jìn)應(yīng)用于引射制冷系統(tǒng)中，系統(tǒng)的COP較傳統(tǒng)系統(tǒng)最大提高達(dá)12.36%。

目前，兩段式噴嘴的研究主要集中在引射制冷系統(tǒng)中，對(duì)于兩段式噴嘴應(yīng)用在空化射流領(lǐng)域的鮮有研究。為了驗(yàn)證兩段式噴嘴的空化效果及結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)空化的影響，采用FLUENT對(duì)兩段式噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬。重點(diǎn)研究第一喉部直徑、第二喉部直徑和連接處直徑對(duì)兩段式噴嘴空化特性的影響。

1 物理模型

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

本文所研究的兩段式噴嘴結(jié)構(gòu)是根據(jù)文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)優(yōu)化后得到，如圖1所示。噴嘴的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 噴嘴物理模型Fig.1 Physical model of nozzle

表1 兩段式噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of dual-throat nozzle

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

由于噴嘴及外流場(chǎng)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，物理模型采用二維結(jié)構(gòu)，同時(shí)取二維結(jié)構(gòu)的一半?yún)^(qū)域進(jìn)行計(jì)算。為了獲得穩(wěn)定的流場(chǎng)流態(tài)，外流域大小設(shè)置為長(zhǎng)70 mm，寬40 mm。網(wǎng)格的劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，噴嘴內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密，劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 The mesh division

為了減少計(jì)算誤差，在第一喉部出口（點(diǎn)A）和第二喉部出口（點(diǎn)B）設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。采用具有空化模型設(shè)置計(jì)算，分別采集點(diǎn)A和點(diǎn)B計(jì)算收斂后瞬時(shí)速度和壓力值。表2和表3分別表示點(diǎn)A和點(diǎn)B處速度和壓力隨著網(wǎng)格數(shù)量變化而產(chǎn)生的誤差，網(wǎng)格數(shù)量從25 914增加至142 137。從表1可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，速度和壓力的誤差也越來(lái)越小。在網(wǎng)格數(shù)量為104 732和142 137時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)速度和壓力的影響可忽略不計(jì)，故本文網(wǎng)格計(jì)算的數(shù)量約為10萬(wàn)。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)（點(diǎn)A）Tab.2 Mesh independence test（point A）

表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)（點(diǎn)B）Tab.3 Mesh independence test（point B）

模擬邊界條件設(shè)置：入口邊界條件均為壓力入口，設(shè)置空化噴嘴的入口壓力為20 MPa，流場(chǎng)入口根據(jù)條件設(shè)置流場(chǎng)的環(huán)境壓力。出口邊界條件為壓力出口，設(shè)置為一個(gè)大氣壓。固體壁面條件滿足無(wú)滑移壁面條件，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)處理。流場(chǎng)迭代求解方法選擇SIMPLE，離散格式選擇二階迎風(fēng)方程。由于空化發(fā)生是非定常過(guò)程，采用瞬態(tài)計(jì)算，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)ΔT=0.000 001 s，計(jì)算結(jié)果要求所有殘差值小于10-6。

1.3 數(shù)學(xué)模型

空化射流屬于氣液兩相流，同時(shí)也屬于湍流流動(dòng)，因此采用多相流中的混合模型、空化模型和湍流模型對(duì)空化射流流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

1.3.1 混合模型

混合模型針對(duì)整個(gè)混合流場(chǎng)系統(tǒng)且可以聯(lián)合空化模型使用求解，具有準(zhǔn)確性高，資源占用率小，且計(jì)算速度較快等優(yōu)點(diǎn)，符合空化射流流場(chǎng)中對(duì)空化特性計(jì)算要求。其包括連續(xù)性方程式和動(dòng)量方程式：

1.3.2 湍流模型

RNG k-ε具有良好的捕獲剪切層末端小漩渦的能力，并且可以覆蓋從低雷諾數(shù)到高雷諾數(shù)的大范圍脈動(dòng)區(qū)域，在空化噴嘴流場(chǎng)中具有較好的效果［18］。

式中 k ——湍動(dòng)能，m2/s2；

ui——流場(chǎng)中i方向流體速度，m/s；

xi——流場(chǎng)中i方向空間變量；

αk，αε—— 湍動(dòng)能 k 和耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，αk= αε=1.39；

ε ——湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；

C1ε，C2ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

1.3.3 空化模型

Schnerr-Sauer模型具有更高的計(jì)算精度和更好的收斂性。該模型通過(guò)耦合氣相體積分?jǐn)?shù)、氣泡數(shù)密度進(jìn)行求解，其定義相間質(zhì)量輸送率為：

式中 ρg，ρ1，ρ —— 氣 相、液 相 和 混 合 相 密 度，kg/m3；

αv——?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)；

Rb——?dú)馀莅霃剑琺；

ps，pe——飽和壓力和環(huán)境壓力，Pa。

1.4 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，將噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)為第一喉部直徑d1=1.5 mm，第二喉部直徑d2=1.0 mm，連接處直徑d3=1.5 mm的數(shù)值模擬結(jié)果與高速攝影結(jié)果對(duì)比，對(duì)數(shù)值計(jì)算方法和精度進(jìn)行驗(yàn)證。圖3所示為噴嘴數(shù)值模擬和高速攝影空泡云圖對(duì)比。從模擬結(jié)果可以看出，淹沒(méi)空化射流的空泡云具有明顯的周期性，空泡云呈間斷團(tuán)狀分布于噴嘴出口，隨后在湍流的作用隨流場(chǎng)發(fā)生擴(kuò)散和破碎。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本一致，且空泡云尺寸和發(fā)展周期較為接近，因此可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖3 數(shù)值模擬與高速攝影空泡云形態(tài)對(duì)比Fig.3 Comparison of cavitation cloud morphology between numerical simulation and high-speed photography

2 結(jié)果與討論

因空化發(fā)生屬于非定常過(guò)程，為了更好地分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化效果的影響，選取同一時(shí)刻下瞬態(tài)物理量進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)速度、湍動(dòng)能以及氣相體積分?jǐn)?shù)的分析，得到了不同第一喉部直徑、第二喉部直徑和連接處直徑對(duì)噴嘴流場(chǎng)的影響規(guī)律。同時(shí)為了驗(yàn)證兩段式噴嘴的空化效果，通過(guò)模擬與空化效果較好的角形噴嘴進(jìn)行了對(duì)比研究。

2.1 第一喉部直徑對(duì)空化射流的影響

在第一喉部直徑分別為 0.5，1.0，1.5，2 mm，第二喉部直徑為1.0 mm，連接處直徑為4 mm時(shí)，研究第一喉部直徑對(duì)空化射流效果的影響。

圖4示出不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布云圖，當(dāng)d1=0.5 mm時(shí)，空化率先發(fā)生在噴嘴第一喉部處，空化區(qū)域主要集中在連接腔內(nèi)，同時(shí)在噴嘴擴(kuò)散段出現(xiàn)少量空化泡。為了解釋這一現(xiàn)象，對(duì)圖5（a）速度分布云圖進(jìn)行分析，在d1=0.5 mm時(shí)第一喉部出口處達(dá)到速度最大值并開(kāi)始形成射流核心區(qū)，軸線處速度增加加劇了壁面附近流體的擾動(dòng)，使得壁面附近形成低壓區(qū)。當(dāng)壓力低于流體在該溫度下的飽和蒸汽壓，空化泡開(kāi)始大量出現(xiàn)。隨著第一喉部直徑d1的增加，空化首先發(fā)生在第二喉部處，在靠近噴嘴出口處空泡云主要沿著剪切層的邊界分布。如圖6示出不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線。圖中縱坐標(biāo)表示蒸汽氣相體積分?jǐn)?shù)，橫坐標(biāo)表示從噴嘴入口至流場(chǎng)出口軸線長(zhǎng)度。由圖中可以看出，隨著第一喉部直徑的增大，噴嘴的空化性能和空化影響區(qū)域先增加后減小，在d1=1.5 mm時(shí)，軸心處的最大體積分?jǐn)?shù)為0.9，此時(shí)空化的區(qū)域范圍達(dá)到最大。

圖4 不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布云圖Fig.4 Vapor volume distribution nephogram of two-stage nozzle with different first throat diameters

圖5 不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的速度分布云圖Fig.5 Velocity distribution nephogram of two-stage nozzle with different first throat diameters

圖6 不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線Fig 6 Vapor volume fraction curves of two-stage nozzle with different first throat diameters

圖7示出不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的湍動(dòng)能分布云圖。從圖中可以看出，當(dāng)d1=0.5，1.0 mm時(shí)，湍動(dòng)能的峰值分別為1 480，801 m2/s2，且峰值區(qū)域主要集中在連接腔內(nèi)。隨著第一喉部直徑的增大，湍動(dòng)能較高區(qū)域分布在徑向線兩側(cè)且逐漸向噴嘴出口移動(dòng)，與空化分布區(qū)域相似。由于空化發(fā)生時(shí)，空泡產(chǎn)生和潰滅時(shí)流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈擾動(dòng)，特別是空泡潰滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高壓，這使得流場(chǎng)內(nèi)的脈動(dòng)壓力增大，湍動(dòng)能也會(huì)急劇增加，因而湍動(dòng)能的變化情況也可反應(yīng)出空化的強(qiáng)弱。

圖7 不同第一喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的湍動(dòng)能分布云圖Fig.7 Turbulent kinetic energy distribution nephogram of two-stage nozzle with different first throat diameters

由此可見(jiàn)，第一喉部直徑對(duì)空化效果產(chǎn)生很大影響，根據(jù)伯努利原理，液體在流經(jīng)第一喉部時(shí)會(huì)由于直徑縮小導(dǎo)致靜水壓力降低產(chǎn)生氣泡。隨著噴嘴內(nèi)的面積增大壓力升高，氣泡破裂形成氣泡核隨流向下游移動(dòng)，氣泡核是的存在是液體空化的先決條件，第一喉部直徑的大小影響氣泡核的形成，直接影響著空化效果。

2.2 第二喉部直徑對(duì)空化射流的影響

在第一喉部直徑為1.5 mm時(shí)，第二喉部直徑分別為 0.5，1.0，1.5，2.0 mm，連接處直徑為4 mm時(shí)，研究第二喉部直徑對(duì)空化射流效果的影響。

圖8示出不同第二喉部直徑的氣相分布云圖。由圖中可以看出，當(dāng)?shù)诙聿恐睆絛2=0.5 mm時(shí)，在噴嘴出口附近形成的空化氣泡云較小，軸向長(zhǎng)度過(guò)短，主要原因是第二喉部直徑過(guò)小導(dǎo)致流量小，從而減小了高速水射流與靜水的剪切層，負(fù)壓區(qū)變小。但空化發(fā)生的程度較為劇烈且集中，軸心處的氣相最大氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.92。從湍動(dòng)能分布云圖9（a）中也可以看出，當(dāng)d2=0.5 mm時(shí)，湍動(dòng)能的峰值最高且峰值的位置位于噴嘴出口附近，說(shuō)明此處空泡潰滅的最為強(qiáng)烈，空化發(fā)生的劇烈，同時(shí)也說(shuō)明空化作用距離小。

圖8 不同第二喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布云圖Fig.8 Vapor volume distribution nephogram of two-stage nozzle with different second throat diameters

圖9 不同第二喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的湍動(dòng)能分布云圖Fig.9 Turbulent kinetic energy distribution nephogram of two-stage nozzle with different second throat diameters

圖10示出不同第二喉部直徑下速度分布云圖。結(jié)合圖10（d）分析，當(dāng)d2=2.0 mm時(shí)，在第一喉部出口處就開(kāi)始出現(xiàn)空化，空化發(fā)生的位置集中在連接腔和擴(kuò)散段壁面處。這是因?yàn)樵诘谝缓聿刻幮纬傻人俸?，等速度核持續(xù)到擴(kuò)散段出口，由于速度梯度的存在形成剪切效應(yīng)產(chǎn)生漩渦，漩渦渦核因角速度較大引起局部壓力降低而產(chǎn)生空化。圖11示出不同第二喉部直徑的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線。從圖可以看出，隨著第二喉部直徑由0.5 mm增加2.0 mm時(shí)，軸心處最大氣相體積分?jǐn)?shù)不斷減小。

圖10 不同第二喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的速度分布云圖Fig.10 Velocity distribution nephogram of two-stage nozzle with different second throat diameters

圖11 不同第二喉部直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布曲線Fig.11 Vapor volume fraction curves of two-stage nozzle with different second throat diameters

在d2=1.0 mm時(shí)軸心處最大體積分?jǐn)?shù)為0.88，由于噴嘴直徑的增大流量逐漸增加，增強(qiáng)了高速射流與靜止伴隨流的剪切作用區(qū)域和強(qiáng)度，因此此時(shí)空化區(qū)域最大。當(dāng)d2=2.0 mm時(shí)軸心處最大氣相體積分?jǐn)?shù)下降到0.028 6，這是由于第二喉部直徑過(guò)大時(shí)，射流從噴嘴流出后極易向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致射流能量快速擴(kuò)散。對(duì)比湍動(dòng)能分布云圖圖9（d）可以發(fā)現(xiàn)，湍動(dòng)能的峰值為981 m2/s2，進(jìn)一步說(shuō)明在噴嘴出口處能量耗散較大。

由以上分析可知，第二喉部直徑是影響空化射流性能的關(guān)鍵參數(shù)，在第二喉部處壓力突降至低于該溫度的飽和蒸汽壓。此時(shí)流體處于拉伸狀態(tài)，空化核在拉伸作用下得以發(fā)育成空泡，空化發(fā)生。所以可以通過(guò)改變第二喉部直徑大小來(lái)增大壓降，誘導(dǎo)液體中大量填滿空穴的微氣泡高速生長(zhǎng)，提高空化的能力。

2.3 連接處直徑對(duì)空化射流的影響

在第一喉部直徑為1.5 mm時(shí)，第二喉部直徑為 1.0 mm，連接處直徑分別為 2，3，4和5 mm時(shí)，研究連接處直徑對(duì)空化射流效果的影響。

圖12示出不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的速度分布云圖。由圖可以看出，在相同入口壓力20 MPa下，不同連接處直徑下噴嘴軸線的最大速度為200 m/s，流體最大流速的流動(dòng)距離約為30 mm，等速度核的大小相似。等速度核是對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)影響和產(chǎn)生低壓區(qū)的關(guān)鍵，故連接處直徑對(duì)速度大小和分布區(qū)域沒(méi)有明顯影響。

圖12 不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的速度分布云圖Fig.12 Velocity distribution nephogram of two-stage nozzle with different connection diameters

圖13為不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的湍動(dòng)能分布云圖。由圖可以看出，在d3=2，3，4，5 mm湍動(dòng)能的峰值分別為 825，820，731，648 m2/s2，湍動(dòng)能峰值發(fā)生的位置均位于噴嘴的外流場(chǎng)中。隨著連接處直徑的增加，湍動(dòng)能的峰值不斷減小。主要原因是當(dāng)連接處直徑取值較小時(shí)，在連接腔內(nèi)并未發(fā)生能量的耗散。當(dāng)連接處直徑取值較大時(shí)，在連接腔內(nèi)發(fā)生能量損失。

圖13 不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的湍動(dòng)能分布云圖Fig.13 Turbulent kinetic energy distribution nephogram of two-stage nozzle with different connection diameters

圖14示出不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布云圖。由圖可以看出，噴嘴擴(kuò)散段及出口附近形成的空泡云成對(duì)稱分布。當(dāng)d3=4，5 mm時(shí)，在空化區(qū)域的形態(tài)上和影響范圍上的流場(chǎng)大致相同。

圖14 不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相分布云圖Fig.14 Vapor volume distribution nephogram of two-stage nozzle with different connection diameters

圖15示出不同連接處直徑時(shí)兩段式噴嘴的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線。由圖可以看出，當(dāng)d3=2 mm增加到d3=3 mm時(shí)，軸線上的最大氣相分?jǐn)?shù)由0.613增加到0.659，增長(zhǎng)了7.50%，空化效果提升并不明顯。當(dāng)d3=3 mm增加d3=4 mm時(shí)，軸線處的最大氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.868，較d3=3 mm時(shí)增長(zhǎng)了31.71%，空化性能有了顯著提高。當(dāng)d3=5 mm時(shí)，軸線處最大氣相體積分?jǐn)?shù)為0.875，與d3=4 mm時(shí)相比空化效果基本上沒(méi)有變化。隨著連接處直徑的不斷增加，空化影響范圍也在隨著增加。主要原因是當(dāng)連接處的直徑取值較小時(shí)，影響噴嘴氣泡的產(chǎn)生及氣泡破裂形成氣泡核，從而影響空化效果；當(dāng)連接處的直徑d3大于4 mm時(shí)，連接處直徑取值對(duì)空化效果幾乎沒(méi)有影響。

圖15 不同連接處直徑的氣相體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.15 Vapor volume fraction curves of two-stage nozzle with different connection diameters

2.4 對(duì)比研究

為了驗(yàn)證兩段式噴嘴的空化效果，在相同工況下，將本文提出的兩段式噴嘴在第一喉部直徑為1.5 mm，第二喉部直徑為1.0 mm，連接處直徑為4 mm時(shí)與文獻(xiàn)［19］的角形噴嘴，進(jìn)行了空化特性的對(duì)比分析。角形噴嘴的結(jié)構(gòu)示意如圖16所示。

圖16 角形噴嘴的結(jié)構(gòu)示意Fig.16 Structural diagram of angle nozzle

圖17示出兩噴嘴軸線上速度對(duì)比，由圖中可以看出，兩噴嘴在相同的入口壓力下，軸線上噴嘴出口的最大速度均為200 m/s，等速度核的長(zhǎng)度基本相同。圖18示出兩噴嘴軸線上的氣相體積分?jǐn)?shù)對(duì)比。由圖可以看出，兩噴嘴軸線上的最大氣相體積分?jǐn)?shù)都是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。兩段式噴嘴的空化影響的區(qū)域長(zhǎng)度32 mm要大于角形噴嘴18 mm，角形噴嘴和兩段式噴嘴軸線上的最大體積分?jǐn)?shù)分別為0.723和0.868。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩段式噴嘴具有良好的空化效果。

圖17 兩噴嘴軸線速度比較Fig.17 Comparison of axial velocity between two nozzles

圖18 兩噴嘴軸線氣相體積分?jǐn)?shù)比較Fig.18 Comparison of vapor volume fractions of two nozzle axes

3 結(jié)論

當(dāng)?shù)谝缓聿恐睆饺≈颠^(guò)小時(shí)，空化僅發(fā)生連接腔內(nèi)。隨著第一喉部直徑的增大，空化發(fā)生的位置后移。在d1=1.5 mm時(shí)，空化的區(qū)域達(dá)到最大，空化強(qiáng)度增強(qiáng)，軸心處的最大體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.9。

第二喉部直徑的取值越小，空化的程度越高，隨著第二喉部直徑的增大，空化程度有所減小但空化區(qū)域的區(qū)域變大。當(dāng)d2=2 mm時(shí)，在第一喉部處就已經(jīng)發(fā)生空化且空化的區(qū)域貼近壁面，在對(duì)稱軸處的空化程度較低，故d2的值不宜過(guò)大。當(dāng)d2=1 mm時(shí)，空化效果最好。

當(dāng)連接處的直徑取值較小時(shí)，影響噴嘴氣泡的產(chǎn)生及氣泡破裂形成氣泡核，從而影響空化效果；隨著連接處直徑的增大，空化效果逐漸增強(qiáng)。但當(dāng)連接處的直徑d3大于4 mm時(shí)，連接處直徑取值對(duì)空化效果幾乎沒(méi)有影響。

在相同工況下與角形噴嘴進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證兩段式噴嘴具有良好空化效果。