低压自激振动空化喷嘴射流特性研究

刘桓龙，尹久红，秦剑，王国志，柯坚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

低压自激振动空化喷嘴射流特性研究

刘桓龙，尹久红，秦剑，王国志，柯坚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

自激振动喷嘴兼有空化射流和脉冲射流的双重优点，利用FLUENT对喷嘴进行射流特性计算，优化得到适合于低压水冲洗系统的自激振动喷嘴结构参数。结果表明:所设计的低压自激振动喷嘴可以产生空化射流效果，当出口直径d=3 mm、谐振腔长度L=6.3 mm、锥角θ=30°时，喷嘴空化发展速度快，适宜于近距离空化清洗;锥角θ=60°时，空化效应发展较慢，射程相对较远，适宜于远距离的空化清洗。研究结果为低压自激振动空化喷嘴的结构设计提供了参考。

低压射流;喷嘴;自激振动;空化;射程

自激振动空化射流是20世纪80年代初根据瞬态流理论和水声学原理发展起来的一种新型射流方式［1－2］，因其结构简单、体积小、耗水量低而又兼有空化射流和脉冲射流的优点，目前被广泛运用于煤矿、钻井、岩石破碎、船舶清洗等各个领域。

为了更加有效地产生空化射流，国内外学者对自激振动空化喷嘴作了大量的实验与计算，学者们得出了适合于高压射流的喷嘴具体结构参数，但是对于适合于低压流体的喷嘴，目前还研究较少，特别是通过CFD软件进行喷嘴仿真分析，更是少之又少。文中根据作者所在单位的低压水冲洗系统的具体参数，理论分析设计出适合的自激振动喷嘴，并对其进行CFD仿真分析，比较研究各个参数对射流性能的影响，从而得出低压自激振动喷嘴的最佳结构参数。

1 喷嘴物理模型

自激振动空化喷嘴基本结构如图1所示。

图1 低压自激振动空化喷嘴

由图1可知自激振动空化喷嘴主要由喷嘴入口腔、喷嘴谐振腔、喷嘴出口腔这三大部分组成。当有稳定的流体从喷嘴的入口腔1流入时，入口收缩截面和出口收缩截面均会产生初始的压力激励，而出口收缩截面更能将压力激励反馈回谐振腔2，形成压力振荡［3］。根据瞬态学理论和水声学原理可知，当通过出口收缩截面反馈回来的压力振荡频率与喷嘴的固有频率相匹配形成共振时，反馈的压力就会得到放大，从而形成驻波，使喷嘴具有脉冲射流的性能，在打击面上形成水锤效应和应力波发射效应。而在喷嘴出口处射流由原来的连续射流变为断续涡环流［4］，也进一步加强了射流的空化和清洗能力。

2 仿真建模

2.1 网格划分

为便于观察结果，运用Gambit建立3D模型。为了观察流体经喷嘴后的射流特性，建立一个直径为100 mm，长度为600 mm的圆柱形流场，模型如图2所示。

图2 喷嘴Gambit 3D模型

喷嘴内部涉及到气体和液体的两相混合流，仿真过程中采用欧拉多相流模型。射流流场是高雷诺数状态，采用Fluent软件中的RNG κ－ε湍流模型。射流系统压力为1.3 MPa，流量为1 m3/h，通过理论计算［5］可得最佳喷嘴直径d=3 mm。

2.2 仿真主要条件设置

(1)喷嘴液体为普通自来水，密度为998 kg/m3，黏度为1.003×10－3Pa·s，空气密度为1.225 kg/m3，黏度为1.789×10－5Pa·s。

(2)入口边界条件为压力入口边界。出口边界为压力出口边界，0 MPa(即大气压)。

(3)湍流参数选择湍流强度与水力直径。

(4)固体壁面无滑移，射流速度垂直入口边界。

3 模拟结果与分析

3.1 喷嘴出口直径对射流特性的影响

为了便于仿真比较，在理论计算的基础上，增设了d=2 mm和d=4 mm两种喷嘴。图3为3种不同出口直径下喷嘴内部的速度矢量图。

图3 不同出口直径下喷嘴内部速度矢量图

图4 不同出口直径下喷嘴轴心速度曲线

由图3可以看出流体在喷嘴内部进口处速度较小，在喷嘴内部加速后在出口圆柱段处速度达到最大值。在谐振腔内，中间速度明显大于靠近壁面的速度，出口收缩截面附近处的速度明显大于入口收缩截面附近处的速度，这种喷嘴内部流速不均匀的现象为空化泡的产生创造了有利条件。对比不同喷嘴直径的速度矢量图，可以明显看出当喷嘴出口直径d=3 mm时，喷嘴内部流速不均匀的程度较其他两组直径大，其次是d=4 mm的喷嘴，最后是d=2 mm的喷嘴。喷嘴轴心的速度沿射程的变化关系如图4所示。

由图4可知，当水流在压力的激励下通过喷嘴入口进入到喷嘴内部时，在喷嘴内部速度会急剧增加，在出口圆柱段处达到最大值。当水流脱离喷嘴后，会与周围大气发生剪切作用而进行能量交换，速度会有一定的回落，而当回落到一定值后，速度就保持着这个稳定值一定距离，最后随着距离的增加速度因射流能量的损失而又继续降低。

图5 不同出口直径下喷嘴轴心含水量曲线

喷嘴轴心的含水量与喷射距离的关系如图5所示，可以看出随着射流距离的增加，喷嘴轴心处的含水量急剧减少，这说明经过此种结构的喷嘴较好的发生了空化作用［6］。由图5可知当自激振动喷嘴出口直径d=3 mm时，空化效果最好，其次是d=4 mm的喷嘴，最差是d=2 mm的喷嘴。

3.2 喷嘴谐振腔长度对射流特性的影响

影响自激振动喷嘴射流主要因素有出口直径d和谐振腔的长度L［7］，保持喷嘴出口直径d=3 mm，泵的工作压力不变，对L/d取L/d=2.1、L/d=4.2、L/d=6.3分别进行仿真模拟，流场压力分布如图6所示。

从图6可以看出在3组不同的L/d比值下的喷嘴内部压力变化趋势几乎一致，并且都在后部出口出现了负压区。这说明3种喷嘴均会发生空化效应，而当L/d=2.1的喷嘴较其他两种具有相对较优的空化射流效果，最小负压值为－1.85×105Pa。喷嘴轴心速度和含水量随喷射距离的变化关系如图7所示。

图6 不同L/d比值下喷嘴压力云图

图7 不同L/d比值下喷嘴轴心曲线

由图7可知，不同的L/d对喷嘴轴心影响不大，而由于重力的影响使得经过自激振动喷嘴射流出来的水柱向下偏移，从而使得在轴心位置含水量急剧减少。经过喷嘴射流后在距喷嘴出口600 mm处的含水量曲线如图8所示。

图8 距离喷嘴出口600 mm处含水量曲线

由图8可知，在不同的L/d下，L/d=2.1的喷嘴含水量高于其它两组喷嘴，而L/d=4.2和L/d= 6.3的两组喷嘴则含水量变化不大。对于不同的L/d比值，y轴上的含水量均远高于其对应的x轴上的含水量，而y轴上的速度也高于x轴。这都进一步说明了在重力的影响下，经过自激振动喷嘴射流出的流体受到重力的影响有下移的现象。喷嘴射流动压关系如图9所示。

图9 距离喷嘴600 mm处y轴动压曲线

由图9可知，对于不同喷嘴的L/d值，y轴的动压曲线和含水量曲线的变化区域一致。而当L/d= 2.1时，经过自激振动喷嘴喷射出来的流体具有较大的动压，见表1。

表1 不同L/d比值下的最大动压值

3.3 喷嘴谐振腔出口锥角对射流特性的影响

影响自激振动喷嘴的两个主要因素是喷嘴谐振腔出口直径和谐振腔的长度，但是谐振腔出口腔锥角对流体振荡强度也有一定的影响［8］。为了研究这种影响因素，对出口锥度θ取30°、45°、60°和90°分别进行仿真模拟，流场速度分布如图10所示。

图10 不同θ时喷嘴内部的速度矢量图

由图10可知，当增设锥角时喷嘴内部速度矢量线段在有尖角的区域内最短，这表明在自激振动喷嘴出口截面处增设一定的锥角，可以使得喷嘴内部流速不均匀程度增加，从而增加喷嘴的空化效应。不同锥角喷嘴的轴心速度和含水量分布如图11所示。

图11 不同θ下喷嘴轴心曲线

由图11(a)可知当θ不同时，距离喷嘴出口约380 mm范围内喷嘴轴心的速度曲线变化几乎一致。随着距离的增加，θ=45°和60°时喷嘴在轴心处速度的衰减率最低，等速核长度增加，对中性能好。其中谐振腔出口腔锥角为60°时速度最大，其次为45°、90°，速度最小为30°。由图11(b)可以看出4种喷嘴均不同程度的发生了空化效应，射流流体中空气的体积分数均在不断的增加，当θ=60°时轴心上的含水量衰减最慢，30°时衰减最快。表2为喷嘴在出口处和距离出口600 mm处轴心的速度和轴心含水量的比较。

表2 不同出口锥角喷嘴轴心的速度和含水量

经过不同锥角的喷嘴射流后含水量随喷射距离的关系如图12所示。由图12可知，在距离喷嘴出口100 mm处θ=30°的喷嘴空化效果好，而其他3种喷嘴仅在流体的外缘部分与周围空气发生剪切作用而产生局部空化现象，中心处几乎没有发生空化。而在距离喷嘴出口600 mm处时所有的喷嘴均出现了空化现象。

图12 经过喷嘴射流后的含水量曲线

由图12(b)可知当喷射距离较远，锥角θ由60°到30°递减时，含水量曲线明显向y轴负方向移动，即向地面方向倾斜，反应在能量上就是喷射能量逐渐降低。当射流距离约小于300 mm时，θ=30°的喷嘴射流对壁面的打击压力最高。当射流距离大于300 mm时，θ=30°的喷嘴射流压力急剧降低，此时喷嘴出口腔锥角θ=60°的喷嘴射流打击压力最高，如图13所示。

图13 射流柱对右端面的打击压力

4 结论

利用CFD软件对低压自激振动喷嘴进行了模拟仿真，通过对喷嘴不同的出口直径和谐振腔长度、谐振腔出口腔锥角进行了对比，分析了各自对射流特性的影响，得到结论如下:

(1)出口直径d=3 mm、谐振腔长度L=6.3 mm时，自激振动喷嘴具有较好的射流特性，而大于最佳射流直径的喷嘴空化效果比小于最佳喷嘴直径的喷嘴好;

(2)改变喷嘴谐振腔出口腔锥角能使喷嘴谐振腔内部速度不均匀程度增加，提高喷嘴内部的最大负压值，增强空化效果;

(3)当谐振腔出口壁面锥角θ=30°时，经过喷嘴的流体在距离喷嘴出口较近范围内有着较好的空化效果，适合于近距离清洗;而θ=60°的喷嘴气泡成长、溃灭过程缓慢，在较远处冲洗压力高，适合于较远距离的空化清洗。

【1】JOHNSON V E，CONN A F，LINDENMULH W T，et al.Selfresonating Cavitating Jets.In:STEPHENS H S，DAVIES E B ed.Papers Presented at the 6thInternational Symposium on Jet Cutting Technology［C］.England，6－8 April，1982:1－26.

【2】方湄，徐晓东，庄蕾.自激振荡脉冲射流粉碎颗粒的理论和实验研究［C］.第五届全国喷射技术会议论文集，2008(8): 78－82.

【3】王萍辉.自激振动空化射流清洗效果实验研究［J］.矿山机械，2009(2):16－21.

【4】沈忠厚.水射流理论与技术［M］.东营:石油大学出版社，1993.

【5】王萍辉，朱单，马飞.自激振动空化喷嘴的仿真研究［J］.煤矿机械，2009(5):53－55.

【6】管金发，邓松圣，郭广东，等.空化射流角型喷嘴内流场的数值模拟［J］.机床与液压，2012，40(12):46－50.

【7】JYOTI K K，PANDIT A B.Water Disinfection by Acoustic and Hydrodynamic Cavitation［J］.Biochemical Engineering Journal，2001(3):201－202.

【8】王乐勤，王循明，徐如良，等.低压大流量自激振荡脉冲射流喷嘴结构参数优化研究［J］.流体机械，2004(32):7－10.

Study of Characteristics of Low Pressure Self-resonating Cavitating Jet Nozzles

LIU Huanlong，YIN Jiuhong，QIN Jian，WANG Guozhi，KE Jian
(Mechanical Engineering School，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

The self-resonating nozzle has the double advantage of cavitating jet and pulsed jet nozzle.The characteristics of jet nozzle were calculated by using FLUENT software，and the structural parameters of self-resonating nozzle suitable for the low pressure insulator water washing system were obtained.The results show that the effect of cavitating jet nozzles can be produced by the designed self-resonating nozzles.When the outlet diameter d=3 mm，the length of resonant cavity L=6.3 mm，the cone angle θ=30°，the self-resonating nozzle cavitating development speed is fast，suitable for short distance cavitating washing.While θ=60°，the effect of cavitating development is slow and the jet rang is relatively far，suitable for long distance cavitating washing.The study result provides reference for structural design of the low pressure self-resonating cavitating jet nozzles.

Low pressure jet;Nozzle;Self-resonating;Cavitating;Range

TH137

A

1001－3881(2014)7－048－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.07.013

2013－03－07

刘桓龙 (1977—)，男，副教授，主要从事流体传动及控制的教学与水质驱动技术的研究工作。E－mail: 329749881@qq.com。