基于ICEM CFD与ANSYS FLUENT的热力射流喷嘴流场分析

周建钊，徐肖攀，朱自成，刘宇晨，储伟俊，赖思伟

(1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007;2.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052)

0 前言

冬季路面覆冰使路面附着系数急剧降低，造成过往车辆打滑、制动距离延长，甚至刹车失灵、方向失控等，从而造成严重的交通事故［1－2］。为了保证交通顺畅和行车安全，提高道路通行能力和运营效益，必须采取有效的措施清除路面冰雪［2－4］。以下简要介绍了前期的研究成果:热力射流—机械铣削复合除冰技术［2，5］，先利用热力射流技术将完整的冰面切割成独立的冰块区域，再利用机械铣削切割的方法将冰块切除。其中，热力射流是整个装置最关键的环节。

水射流切割技术是近20年发展起来的一门新技术，它利用高压水压缩机产生高压水，通过急剧收缩的喷嘴将压力能转变为动能，以高速、集聚的射流进行喷射，完成对物件的清洗、切割、破碎等工作［6］。喷嘴是水射流技术的关键装置，它是通过内孔横截面的收缩，将高压水的压力能汇聚，转化为动能进行喷射［7］。为提高除冰效率，热力水射流在切冰环节应具有良好的集聚性与射流速度，以便将冰面快速切割，为机械铣削做好准备。为此，本文作者综合运用数值仿真与试验验证的方法，对喷嘴的内部结构及其对射流流场的影响进行研究。

1 除冰装置设计

文中设计了以城市道路洒水车为载体的热水射流机械复合除冰装置，除冰装置加挂在洒水车的后部，洒水车主要用于提供射流所需的水和增压系统，除冰装置主要由加热混合系统、射流切割系统和机械除冰系统组成。其中加热混合装置用于加热洒水车提供的冷水并将加热后热水与环保型融冰剂混合。为提高效率，加热系统还具有融化冰雪功能，通过利用燃料锅炉排放的高温废气融化收集的冰雪以现地补充除冰所需水，实现资源再利用［2，5］。为实现将路面覆冰切割为独立冰块，设计了如图1所示喷射装置，其底部安装有两组喷头，每组包含30—40 个喷嘴，喷头直线等间距排列。喷头可以划分为两类:锥形喷头和锥直形喷头。

图1 热力水射流装置的设计

2 建立喷嘴射流的数学模型

水射流常常涉及两相及多相混合的介质射流，流动机制比较复杂［6］。计算流体力学(CFD)是基于离散化的数值计算方法，利用计算机对流体相对于不同固体边界的内外流场进行数值模拟与分析。它克服了传统理论与实验研究的弱点，通过对流场的整体状况进行研究，能够准确把握流场的产生、压力、温度、速度等随时间的分布情况，以便后续的优化设计［7－8］。

随着计算机技术与CFD 理论研究的不断发展，关于CFD 的应用软件也逐渐兴起。其中，FLUENT 是相对成熟、运用最为广泛的流体分析软件。它基于有限体积法对计算区域进行离散，使用者可根据实际情况设立初始条件及边界条件，选择相应的计算模型进行求解。

根据除冰装置的结构特点，主要研究非淹没射流下的喷嘴流场的变化过程。不可压缩流体在空间直角坐标系的连续性方程为［9］:

式中:vx、vy、vz分别为x、y、z 3 个方向的速度分量，单位为m/s;t 为时间变量，单位为s;ρ 为流体密度，单位为kg/m3。由于喷嘴口的横截面积急剧收缩，射流在流经此处时呈高速湍流状态。因此，采用标准的κ－ε［6，9］方程，其湍流动能κ 与耗散率ε 的表达式分别为:

其中:

式中:Gk为平均速度梯度引起的湍动能;Gb为浮力影响引起的湍动能;YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响;C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，其在FLUENT 中的默认值分别为1.44、1.92、0.09;σk、σε分别为湍动能和湍动能耗散率对应的普朗特常数，其在FLUENT 中的默认值分别为1.0 和1.3;Prt为湍动普朗特数，一般为0.85。gi为重力加速度在i 方向上的分量;β 为热膨胀系数;Mt为马赫数;a 为声速。

3 建立喷嘴几何模型并划分网格

锥形喷嘴和直形喷嘴如图2所示，其入口直径D为1 cm，出口直径d 为1 mm，锥角α 为80°，图2(b)中L/d=2，以上数据均为实验室中实际使用的喷嘴基本尺寸。运用ANSYS14.0 自带的网格划分软件ICEM CFD 分别建立两种喷嘴的二维模型，如图3、4所示。在网格划分时，考虑到计算边界结构的复杂性，采用三角形非结构网格。它可以有效消除结构网格中节点的结构性限制，提高计算的灵活性与准确性。

图2 两种类型喷嘴内部结构图

图3 锥形喷嘴内外流场网格划分

图4 锥直形喷嘴内外流场网格划分

在图3所示的锥形喷嘴模型中，入口边界IN 为AB，出口边界OUT 为CD、DE、FE，喷嘴壁面边界WALL 设定为BJ、JI、IH、HG、GC，对称轴AXIS 为AF。同样，在图4所示的锥直形喷嘴模型中，入口边界IN 为AB，出口边界OUT 为CD、DE、FE，喷嘴壁面边界WALL 设定为BL、LK、KJ、JI、IH、HG、GC，对称轴AXIS 为AF。由于在热力射流除冰装置中，设计喷头与冰面之间的靶距为7 ～8 cm，因此在ICEM CFD 中建立外部流场，其基本尺寸为50 mm ×100 mm。

4 ANSYS FLUENT 流场仿真与结果分析

由于非淹没射流条件下射流喷出孔口时与外部空气进行复杂的动量与能量交换，因此射流的工作介质(水)和环境介质(空气)在外部流场相互混合，使流体呈现为气液两相混合介质射流。因此，在计算时选用Mixture 两相流模型，采用k－ ε 湍流模型进行数值计算。根据所选用的抽水泵流量参数，可得喷嘴入口平均流速为2 m/s。因此，设置入口边界为Velocity-inlet，速度为2 m/s，出口边界选择Outflow。

设置Axis、Wall、Surface 在FLUENT 中对应的边界模型，同时对计算残差Residual、迭代次数iterations 等进行设置，并初始化计算模型，之后开始计算。

4.1 喷嘴的轴向速度分析

采用了两种喷嘴进行仿真，喷嘴的圆锥段尺寸及收缩角参数完全相同。其中，锥直形喷嘴出口圆柱段的长径比L/d=2。从轴向速度分布云图5、6 中可以看出:锥形喷嘴的轴向最大速度为248 m/s，略大于锥直形喷嘴的轴向最大速度245 m/s;锥形喷嘴的等速核长区大于锥直形喷嘴;此外，从仿真结果中可以得出:锥形喷嘴的射流集聚性明显大于锥直形喷嘴，具有较大的紊流动能和较小的紊流能量耗散率。

图5 锥形喷嘴轴向速度分布

图6 锥直形喷嘴轴向速度分布

根据实际流体的伯努力方程:

式中:z1、z2分别表示孔口前后流体的高度;p1、p2分别表示孔口前后的相对压力;α1、α2分别为孔口前后的水头系数;ρ、g 分别为流体密度与重力加速度;v1、v2分别表示孔口前后流体的速度;hf表示为压力损失。从而可以得出:

根据水射流喷嘴尺寸及射流特点，选定参数代入式(6)计算可得:v2为242 m/s，与仿真结果基本吻合。

图7、8 分别为锥形、锥直形喷嘴的轴向速度随流场轴向位置变化的分布曲线。其中，纵坐标表示轴向速度，横坐标表示轴向位置变化。从中可以看出:当轴向距离为0 ～15 mm 之间时，锥形与锥直形喷嘴的轴向速度均为入口速度2 m/s;当轴向距离为15 ～20 mm 之间时，由于流体流经收缩锥面，轴向速度均急剧增大，锥形喷嘴的曲线斜率更大，变化更剧烈;当轴向距离为20 mm 时，射流速度达到最大;当轴向大于20 mm 时，锥形喷嘴的喷射速度急剧减小，锥直形喷嘴的射流速度变化则比较平缓。表1 为两种喷嘴的仿真数据与理论数据计算值，其中仿真结果相对于理论计算结果略微偏大，但均在误差范围内。综上所述，与锥直形喷嘴相比，锥形喷嘴的速度变化更为剧烈，易对装置产生造成振动和冲击。

图7 锥形喷嘴轴向速度分布曲线

图8 锥直形喷嘴轴向速度分布曲线

表1 两种喷嘴的仿真数据与理论数据表

4.2 锥直形喷嘴的动压分析

图9、10 分别为锥直形喷嘴的动压分布图和轴向动压分布曲线。从图9 中可以看出:位于喷嘴入口处与外部流场中远离喷嘴出口的压力变化接近于0;越靠近喷嘴出口，压力变化越大。这是因为流体流经锥面时，受到收缩壁面的强烈作用力而导致内部压力急剧增大。从图10 中可以看出，在接近喷嘴出口的圆柱段，动压先急剧减小又急剧增大。这是由于流体经过锥形收缩面与出口圆柱段的边缘时，由于流动方向的突然改变而产生颈缩现象。在收缩端面上，喷嘴的环境压力为负压。这有助于抽吸短管上游的水，增加装置运行的平稳性。

图9 锥直形喷嘴轴向动压分布

图10 锥直形喷嘴轴向动压分布曲线

5 试验验证

为验证仿真结果，选用如图11所示的直径均为1 mm 的锥形与锥直形喷嘴，在平均入口流速为2 m/s的条件下，进行试验。图12 为两种喷嘴射流集聚性比较，其中图12(a)为锥形喷嘴的射流形状，图12(b)为锥直形喷嘴的射流形状，黑色标志为射流等速核长区域。从图11 及表2 中可以看出:锥形喷嘴比锥直形喷嘴的射流集聚性更高，等速核长度更大。

图11 锥形与锥直形喷嘴

图12 相同孔径的锥形与锥直形喷嘴的射流集聚性比较

表2 两种喷嘴的仿真数据与实验数据表

6 结论

通过对锥形与锥直形喷嘴进行流场仿真和试验分析，得出以下结论:

(1)流体的速度在喷嘴的收缩段迅速增加，在喷嘴出口处会形成一个等速流核区。在相同边界条件和初始条件下，锥形喷嘴的等速核区大于锥直型喷嘴。

(2)当射流流经喷嘴收缩段时，其速度梯度增大。锥形喷嘴的速度变化率比锥直形喷嘴的大，因而易对喷射装置产生冲击，降低装置运行的平稳性。

(3)由于颈缩现象的存在，锥直形喷嘴的出口圆柱段极易形成负压，这有助于抽吸负压截面上游的水到下游出口，提高流量的连续性，使装置运行更趋平稳。

(4)通过试验发现:锥形喷嘴的等速核长区域明显大于锥直形喷嘴，射流集聚性更高，再次验证了仿真结果的准确性和正确性。

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