三维旋转喷射枪喷嘴结构的优化

， ， ，

(1.太原理工大学 化学化工学院， 山西 太原　030024; 2.广东石油化工学院 机电工程学院， 广东 茂名　525000)

引言

喷嘴作为喷射枪结构清洗机的直接执行部件，它将水流的压力能转换成高度密集的水射流，进而完成清洗油罐的目的。实验已经证实：研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的的喷嘴，将极大地提高射流的效率[1]。在标准k-ε方程模型上，运用CFD软件对不同结构的喷射枪喷嘴水射流流场进行数值模拟分析，通过综合比较轴心速度和横向速度的大小以及变化趋势，进而得出最优的喷嘴结构。

1　流体介质的选择

基于同种介质具有很好的可比性，且出于水射流清洗的工况考虑，选择了最常用的水介质作为被研究的流体介质。其基本的物理参数如表1所示。

2　喷嘴流场计算区域的建模和分析

首先，通过GAMBIT软件对喷嘴结构和外部流场进行建模，然后进行网格划分，边界定义，并输出用于求解器FLUENT5/6计算的格式；通过FLUENT5/6求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。

表1　水的基本物理参数

2.1　物理模型以及边界参数设置

由于喷嘴的压力、流量和出口直径是相互关联的，因此，只要给出其中任意的两个量，第三个量就会得出。在工程实际应用中，压力和流量通常是已知的，因此只要根据公式(1)，代入相关数据就可得到直径的大小。所设计的喷嘴结构如图1所示。喷嘴的主要结构参数有：出口直径d，收缩角α，圆柱段长度l和出口直径d的比值，即长径比l/d。

图1　喷嘴的结构

喷嘴直径的计算公式如式(1)[2,3]：

(1)

流体以一定的压力从入口直径处进入，经过收缩段加速、圆柱段整流，以一定的速度从出口处喷射到周围静止的空气介质中，形成非淹没水射流。计算区域为喷嘴内部流场和射流外部流场，考虑到计算流场区域为对称结构，因此只截取了结构的一半，如图2所示。

2.2　射流的数学模型

射流在喷嘴外部的流动状态为复杂的湍流流动，因此采用标准k-ε双方程湍流模型建立封闭的控制方程组[4-7]。标准k-ε方程模型的湍动能k和耗散率ε方程可简化如下：

(2)

式中：Gk为由于平均速度梯度而引起的湍动能。

在FLUENT中，作为默认常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92[8]，湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数分别为：σk=1.0，σε=1.3[7]。

3　体仿真结果及其分析

3.1　圆柱形喷嘴收缩角对射流流场的影响

该模拟方案的喷嘴结构的基本参数为：入口压力为0.6 MPa，出口压力为0.1 MPa，喷嘴的入口直径为58 mm，喷嘴的出口直径为28 mm，进口段的长度为145 mm，长径比l/d为1.0。收缩角α分别为12°、16°、20°、30°、60°，收缩段的长度随着收缩角的变化而变化，将2者之间的关系绘制成表格，如表2所示。

表2　收缩角和收缩段长度的关系

3.2　轴心速度的分析

1) 收缩段长度与轴心速度的关系

数据压缩技术虽然能减少数据量和提高存储效率，但同时也加重了计算结点的数据处理负担。考虑到存储空间和数据的性质，针对不同的数据采取不同的存储方式。核心业务数据依旧采用传统的并行数据仓库进行存储；时效性要求高的数据则采用实时数据库或内存数据库；对大量的累积数据和无结构数据则采用分布式文件系统。

收缩段的长度随着收缩角的增大而减小，且收缩段是流体速度加速的阶段，因此有必要做出不同收缩角下，收缩段位置与收缩段轴心速度的关系图，根据仿真分析计算和结果输出，将相应的数据绘制成如图3所示。

图3　不同收缩角的收缩段长度与轴心速度的关系图

从图3中可以总结出：收缩角越大，速度梯度越大；即：在相同的收缩段位置处，收缩角越大，轴心速度就越大；整个收缩段，轴心速度都是在不断地增大。在刚进入收缩段时，收缩角越大，进口速度越大。在收缩断面最小直径处，收缩角越小，轴心速度越大。

2) 收缩角与出口速度度关系

在仿真计算过程中，不同收缩角与喷嘴出口速度的关系见表3。从上述的表格可以看出：不同收缩角α的喷嘴的出口速度都保持在34.6 m/s上下，即：仿真结果与理论计算值d=44.72p1/2[9]=34.6 m/s非常吻合。

表3　收缩角与出口速度的关系

3) 收缩角与外部流场轴心速度的关系

为了计算结果的准确性，确定了喷嘴的入口、出口直径、长径比等几个参数，但是从表3知喷嘴的收缩段随着收缩角的变化而变化，因此喷嘴的长度始终在变化，故：截取了不同收缩角喷嘴外部流场共有的区间段(0.3～1.0 m)进行数据的分析比较，从图4可以看出：收缩角α=12°～16°的喷嘴在射程0.3～0.5 m内，轴心速度大小基本保持在34.6 m/s，射流具有好的集束性。α=20°～30°的喷嘴在射程0.3～0.4 m的区间内，轴心速度也保持不变，大小为34.3 m/s，该段射流具有较高的集束性。α=30°～60°的喷嘴在0.3～0.4 m内，速度衰减较缓慢。随着射程的增大，收缩角α越大，喷嘴的轴心速度衰减速率也越快。在相同的射程处，收缩角α越小的喷嘴，具有越高的轴心速度。从射程远且打击力大的角度出发，经模拟仿真研究与分析，喷嘴的收缩角α在12°～30°具有较好的轴心速度场。

图4　射流的轴心速度衰减曲线

图5为与喷嘴中心轴线垂直的出口边界(x=1.0 m 处)的横向速度分布。发现不同收缩角α的流速分布呈现处相似性性质，轴线上流速最大，距轴线越远，流速越小，但是在0.106～0.218 m的区间内，不同收缩角α的最低速度均又有所回升，这是因为水射流受到外部空气流场的影响。收缩角α=12°～16°的喷嘴在区间0～0.106内，速度衰减较快，而收缩角α=20°～60°的喷嘴在区间0～0.106内，速度衰减较缓慢。从清洗面积的角度出发，经模拟仿真分析，喷嘴的收缩角α在20°～60°有较大的清洗面积。

图5　不同收缩角的喷嘴x=1.0 m处的横向速度分布

综上分析与总结可知：收缩角α=12°～30°有较好的轴心速度分布，即：较远的射程和较大的打击力；收缩角α=20°～60°有较大的横向速度分布，即：较大的清洗面积。出于射程、打击力和清洗面积三方面综合考虑，喷嘴性能最佳的收缩角α在20°～30°区间段内。

3.3　圆柱形喷嘴长径比对射流流场的影响

图6是相同射程处，不同长径比的喷嘴的轴心速度分布图。从图中可以看出：长径比l/d=1.0～3.0的喷嘴在区间0.3～0.4 m内，速度保持在34.6 m/s；在区间0.4～0.5 m内，l/d=3.0的喷嘴仍保持34.6 m/s 的高速；l/d=2.0的喷嘴速度开始衰减，但是衰减较缓慢；l/d=1.0的喷嘴速度衰减速率较快；即：长径比越大，射流的高速区越大。随着射程的增大，长径比越小，速度衰减的速率越快；在相同的射程处，长径比越大，射流的轴心速度越大。当x=0.6 m，l/d=1.0，v1=28.6 m/s；l/d=2.0，v2=30.0 m/s；l/d=3，v3=31.3 m/s。通过仿真分析知：长径比在2.0～3.0的区间段内，射流具有较好的轴心速度流场分布。

图6　不同长径比的喷嘴的轴心速度分布曲线

图7为不同长径比的喷嘴x=1.0m处的横向速度分布，从图中可以看出：不同长径比l/d的喷嘴的流速分布呈现处相似性性质，轴线上流速最大，距轴线越远，流速越小。不同长径比的喷嘴，其横向速度的大小、变化趋势基本保持一致；也就是说，不同长径比的喷嘴，对射流的横向速度影响很小。

图7　不同长径比的喷嘴x=1.0 m处的横向速度分布

综合分析可知：长径比l/d在2.0～3.0的区间内，具有最佳的喷射性能。

4　结论

(1) 收缩角对轴心速度的影响：收缩角越小，射流的高速区越大。随着射程的增大，收缩角α越大，喷嘴的轴心速度衰减速率也越快。在相同的射程处，收缩角α越小的喷嘴，具有越高的轴心速度。从射程远且打击力大的角度出发，经模拟仿真研究与分析，喷嘴的收缩角α在12°～30°具有较好的轴心速度场；

(2) 收缩角对横向速度的影响：不同收缩角α的流速分布呈现处相似性性质，轴线上流速最大，距轴线越远，流速越小，但是在0.106～0.218 m的区间内，不同收缩角α的最低速度均又有所回升，这是因为水射流受到外部空气流场的影响。收缩角α=12°～16°的喷嘴在区间0～0.106内，速度衰减较快，而收缩角α=20°～60° 的喷嘴在区间0～0.106内，速度衰减较缓慢。从清洗面积的角度出发，经模拟仿真分析，喷嘴的收缩角α在20°～60°有较大的清洗面积；

(3) 长径比对轴心速度的影响：长径比越大，射流的高速区越大。随着射程的增大，长径比越小，速度衰减的速率越快。在相同的射程处，长径比越大，射流的轴心速度越大。通过仿真分析知：长径比在2.0～3.0的区间段内，射流具有较好的轴心速度流场分布；

(4) 长径比对横向速度的影响：不同长径比l/d的喷嘴的流速分布呈现处相似性性质，轴线上流速最大，距轴线越远，流速越小。但是，不同长径比的喷嘴，对射流的横向速度影响很小；

(5) 从射程远、打击力大和清洗面积大的角度出发，收缩角α在20°～30°区间段内、长径比l/d在2.0～3.0区间段内，喷嘴具有最佳的喷射性能。

参考文献：

[1]孙家骏. 水射流切割技术[M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 1992.

[2]Labus Y J. Fluid Jot Technology: Fundamentals and Applieatlon[M]. Columbia: St. Louis WJTA,1995.

[3]韩彩红,薛胜雄,陈正文.《高压清洗机》国家标准的解读[J].清洗世界,2011,27(7):1-3.

[4]章梓雄,董曾南.黏性流体力学[M].北京:清华大学出版社, 1999.

[5]马飞,张文明.淹没水射流土层扩孔方程[J].北京科技大学学报, 2005, 27(3): 265-271.

[6]何枫,谢峻石,杨京龙.喷嘴内部流道型线对射流流场的影响[J].应用力学学报, 2001, 18(4): 114-119.

[7]王福军.计算流体动力学分析)CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[8]KASUYA Y.Water Jet Cavitation of Submerged Horn Sharped Nozz1es [J].Proceedings of 3rd U S. Water Jet Conference, 1985, 3(10): 156-159.

[9]王洪伦,龚烈航,姚笛.高压水切割喷嘴的研究[J].机床与液压,2005，(4):42-43.