一种清洗喷嘴的改进设计与仿真分析

操明明，孟 婥，孙以泽，王 晗

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

一种清洗喷嘴的改进设计与仿真分析

操明明1，孟 婥1，孙以泽2，王 晗2

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

喷嘴是清洗作业中最直接执行部件，国外研究表明空化射流应用于清洗相较于普通射流优势十分明显。因此针对印染行业中鞋面印花网版的清洗改进设计了一种喷嘴，建立了喷嘴的数学模型。利用FLUENT软件分别对原始喷嘴与改进后的喷嘴射流进行单相流场与二相流场的仿真，通过对喷嘴内部流场的压力、速度以及扩散度对比分析。结果表明：两种喷嘴都可以产生有利于清洗作业的空化射流，且优化后的喷嘴空化效果与水射流的动力性能更佳、扩散范围更广，该清洗喷嘴的设计为鞋面印花网版清洗喷嘴的优化提供了合理的依据。

鞋面印花网版；清洗；喷嘴；空化射流；FLUENT仿真

0 引言

鞋面的印花是印染行业的重要组成部分，鞋面上的各种各样颜色和纹理需要经过印花的加工。鞋面印花有专门的鞋面印花机去完成和实现需要的颜色与花纹，网版是实现鞋面上色和花纹的过程中必不可少的工具。在这个过程中首先印花机喷墨到网版上，再经过印花，就能将所需要的图案印到鞋面。其中鞋面印花网版的清洗直接对鞋面的印花质量有直接的影响。而喷嘴是清洗鞋面印花网版的重要执行元件，因此保证喷嘴喷射的水流的具有优良动力性能十分重要。

图1 网版清洗机

鞋面印花网版主要污垢为其表面的水性油墨，图1所示为某公司网版清洗机，清洗时首先将网版放置清洗机夹持架上，然后推送至清洗机清洗区，清洗区的清洗喷嘴对称安装在两边的水管上，并且水管可以转动以保证喷嘴射流能覆盖网版所有表面。当网版送至清洗区后，开启清洗机开关，此时通过安装在水管上的喷嘴喷射的水流对网版两面同时清洗。该清洗机的清洗时间一般设置为2分钟，清洗压力为10Mpa，清洗结束按下停止开关取出清洗过的网版。网版主要依靠喷嘴射流产生的动力与水流稀释其表面水性油墨的能力完成清洗。国内对于鞋面印花网版清洗的大部分是采用大流量普通喷嘴产生的射流清洗为主，普通喷嘴产生的射流不仅喷射扩散范围小、射流动力性能不佳，并且容易造成水资源的浪费。国外Johnson等学者首次将空化理论应用到水射流清洗的技术领域[1]，在清洗作业时空化射流相对于普通射流它具有环保、节能、高效、易操作等特点，并且在相同的水力参数条件下，空化射流更加有利于清洗[2]。因此针对鞋面印花网版的清洗，改进设计了一种用于其清洗且能在低压下产生空化射流的喷嘴。

1 空化原理

1.1 空化的形成

空化是由于液体内局部压强降低到其自身的饱和蒸汽压时，液体内部或液固接触面上出现气体泡沫生成、发展和溃灭的过程。在喷嘴水射流中当射流绝对压力小于当地水的饱和蒸气压时，喷嘴的收缩段内的射流将要产生空化现象，由于空化气泡溃灭时产生的能量集中在很多非常小的接触面积内，从而可以在局部区域形成较高的应力集中，造成对被冲击物体表面的污垢的冲蚀破坏。正是由于这种局部的压力增高与能量的集中，使得空化射流在同等压力和流速下，其清洗的效果远远优于普通射流，极大的提高清洗效率。当流体通道有收缩时，根据出口截面内外两点间的伯努利方程与连续方程[3]：

式(1)中：p1为入口压力；p2为出口压力；pc为收缩段压力；v1为入口速度；v2为出口速度；A1为入口横截面积；A2为出口截面积。喷嘴收缩段示意图如图2所示。可以推出，在p1＞p2时，根据空化理论在图2①区域内即收缩段内部与液固接触面上会有空化气泡的形成[4]。

图2 喷嘴收缩段示意图

1.2 空化产生的判据

对于液压系统是否产生空化，根据空化形成的原理只需要检测绝对压强是否低于当地饱和蒸汽压强即可。根据文献[5]以液压系统内最低压强小于或等于当地饱和蒸汽压时能够产生空化作为唯一判据，但是对于新设计的液压系统一般需要提前预测空化，因此需要利用仿真软件模拟液压系统内两种压强大小是否满足空化产生条件。

2 喷嘴的模型

喷嘴的数学模型如图3所示。喷嘴改进结构如图3(a)所示，喷嘴由喷头和入射体构成，两者通过螺纹联接，入射体直接与网版清洗机清洗区的水管通过螺纹联接。这样的设计有利于喷嘴的更换与检修，因为入射体孔径较大不易发生堵塞，所以当喷嘴发生堵塞等问题只用更换喷头即可。改进前喷嘴结构如图3(b)所示，喷嘴是一体式结构，整个喷嘴直接与网版清洗机清洗区的水管通过螺纹联接，喷嘴出现堵塞等故障时需要整体进行更换。

图3 喷嘴模型图

喷嘴的结构参数为：喷嘴入口直径D为6mm，出口直径b为1mm，扩散角α取为60°，收缩角β取为13.5°，圆柱段直径为0.7mm，喷头长度L为16mm。因为喷嘴的圆柱段长度对空化效果有一定的影响，所以将改进后圆柱段长度l定为3mm并规定为Ⅰ号喷嘴，原始喷嘴圆柱段长度为4mm并规定为Ⅱ号喷嘴，对比两种喷嘴进行FLUENT仿真模拟研究。

3 喷嘴的仿真分析

3.1 输运方程

在验证空化效果模拟计算应用较多的是κ-ε模型，其改进RNGκ-ε模型在ε方程中增加了一个条件，同时也考虑到了湍流漩涡，从而有效的改善了计算的精度[6]。因此采用RNGκ-ε模型，当流体不可压时，其输运方程为[7]：

式中：k为湍动能；ε为湍动耗散率；u为流速；μ为流体动力粘度；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；k为湍动能的有效普朗特数的倒数；为耗散率的有效普朗特数的倒数。其他常系数如下：Cμ=0.0845，C1ε=1.44，C2ε=1.92。

3.2 边界条件设置

两种喷嘴边界参数设置相同，以压力设为喷嘴出入口边界，入口压力设为清洗机的清洗压力10Mpa，出口压力设为大气压即为0Mpa；进出口射流湍流强度设为3.5%；固体壁面条件设为无滑移；射流速度方向垂直于入口边界。

3.3 模拟计算分析

3.3.1 喷嘴的空化仿真

本次模拟采用SIMPLEC隐形算法进行压力和速度的耦合迭代计算，FLUENT模拟计算流程为：几何建模→网格划分→计算模型设置→介质设置→边界条件设置→初始化及迭代计算，只有迭代计算结果收敛才能进行后处理，因此只有当迭代计算收敛时仿真结果才是可信的。两种喷嘴计算域如图4所示。

图4 两种喷嘴计算域

两种喷嘴残差迭代计算结果如图5所示，其中横坐标为迭代次数，纵坐标为迭代残差值，并可以看出Ⅰ号喷嘴残差迭代计算在165步时收敛，Ⅱ号喷嘴残差迭代计算在167步时收敛，因此仿真结果是可信的。

图5 残差迭代计算结果

图6 喷嘴内部流场压力计算结果

两种喷嘴压力计算结果如图6所示，从图6(a)中可以看出Ⅰ号喷嘴射流从喷嘴长度为9mm处开始产生负压且骤降直到10.5mm后下降速度趋于平稳，在喷嘴长度为13mm处达到最大负压接近-8Mpa，然后迅速上升，在喷嘴长度为15mm处趋于零。从图6(c)中可以看出射流压力从Ⅰ号喷嘴的圆柱段开始按梯度逐渐减小，直到喷嘴圆柱段尾端负压值达到最低。从图6(b)中可以看出Ⅱ号喷嘴射流从喷嘴长度为8mm处开始产生负压且骤降直到9.5mm后下降速度趋于平稳，在喷嘴长度为13mm处达到最大负压接近-7Mpa，然后迅速上升，在喷嘴长度为15mm处趋于零。从图6(d)中可以看出射流压力从Ⅱ号喷嘴的圆柱段开始按梯度逐渐减小，直到喷嘴圆柱尾端负压值达到最低。综合图6可以得出，两种喷嘴内部产生了很明显的负压，根据空化形成的判据，以常温25℃时水的饱和蒸汽压3.168kPa为参考标准，因此负压有利于空化气泡形成，增加空化气泡的数量，提高空化效果，所以两种喷嘴都可以产生空化射流。Ⅰ号喷嘴负压值比Ⅱ号喷嘴小，且Ⅰ号喷嘴压力上升与下降的坡度都比Ⅱ号喷嘴明显，因此Ⅰ号喷嘴空化效果会优于Ⅱ号喷嘴。

图7 喷嘴内部流场速度计算结果

两种喷嘴速度计算结果如图7所示，从图7(a)可以看出，在Ⅰ号喷嘴长度为0mm处速度一直增加，直到达到Ⅰ号喷嘴长度为10mm处速度达到最大190m/s，圆柱段内速度几乎达到平稳，在Ⅰ号喷嘴长度为13mm处速度急剧下降，直到到达Ⅰ号喷嘴长度为15mm处再次趋于稳定。从图7(b)可以看出，在喷嘴长度为0mm处速度一直增加，直到达到喷嘴长度为9mm处速度达到最大180m/s，圆柱段内速度几乎达到平稳，在喷嘴长度为13mm处速度急剧下降，直到到达喷嘴长度为15mm处再次趋于稳定。因为两种喷嘴类型相同所以从图7(c)、7(d)中可以看出在两种喷嘴射流速度逐渐增加均在圆柱段达到最大，并且吸入了部分空气，形成了一定的空化。在出口扩散段，喷嘴存在一个等速核段，有利于空化射流的形成。综合图7得出，两种喷嘴射流速度均由小逐渐增大，在圆柱段射流达到速度最大值，再由最大值急剧下降到达喷嘴的出口，并出现等速核段。Ⅰ号喷嘴射流速度最大值以及出口处的速度大于Ⅱ号喷嘴，因此Ⅰ号喷嘴射流动力性能优于Ⅱ号喷嘴。喷嘴射流产生上述变化是由于喷嘴入口处的水泵压力能逐渐转化为水射流动能引起，符合连续性方程流动参数随着截面积变化而变化的规律。

3.3.2 喷嘴气液两相仿真

将两种喷嘴进行外流场的两相模拟，确定喷嘴射流的扩散效果，两相仿真增加了矩形喷射区域。两相仿真同样采用SILPLEC算法[8]，设置水为基本相，水蒸气为第二相。因为前面仿真结果表明两种喷嘴均能产生空化效果且Ⅰ号喷嘴产生的射流空化效果与动力性能优于Ⅱ号喷嘴，因此两相之间的转化采用Cavitation Model空化模型[9,10]，其他边界条件与空化仿真设置一致。两相仿真计算域残差如图8所示，其横坐标为迭代次数，纵坐标为迭代残差值，Ⅰ号喷喷嘴二相计算域残差迭代到442步收敛，Ⅱ号喷嘴二相计算域残差迭代到293步收敛，因此仿真结果是可信的。

图8 二相计算残差迭代计算结果

图9 喷嘴水射流速度统计云图

从图9可以看出从两种喷嘴内部喷出的水射流速度与径向距离呈反比关系，即随着径向距离的增大，水射流速度逐渐减小，速度分布区具有对称性，这与单相空化模拟所示的流场吻合。Ⅰ号喷嘴水射流扩散范围略大于Ⅱ号喷嘴水射流扩散范围，因此Ⅰ号喷嘴射流覆盖网版范围更广，可以减少清洗机水管上喷嘴的安装数量。

4 结论

利用FLUENT软件对两种喷嘴射流进行单相与二相流的仿真模拟。模拟分析结果表明，两种喷嘴的圆柱段均存在速度最大值，并且有明显的负压形成，能够产生空化效果。对比仿真结果可以得出当喷嘴圆柱段参数为3mm时水射流的动力性能更好、扩散范围更广。利用该喷嘴的空化射流产生的冲击力与空化气泡在破裂时产生的能量，使得其在清洗方面的效果优于原始喷嘴水射流，且能够有利于清洗效率的提升。因此改进后的Ⅰ号喷嘴代替 原始的Ⅱ号喷嘴用于鞋面印花网版的清洗作业是可行的。

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Improved design and simulation analysis of a cleaning nozzle

CAO Ming-ming1, MENG Zhuo1, SUN Yi-ze2, WANG Han2

TH16

：A

1009-0134(2017)03-0100-05

2016-12-20

操明明（1990 -），男，安徽人，硕士研究生，研究方向为机械结构设计与分析。