剪切型空化水射流喷嘴解离石墨颗粒的流场特性

董 星， 陆 松， 常 禄

(黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

空化水射流是指通过一定的发生装置在水射流中产生空化气泡，利用空泡溃灭产生的冲击力增强射流作用效果的混合水射流[1-2]。它是空蚀原理与水射流技术的有机结合，是高压水射流技术的一个重要分支。目前空化水射流技术已经推广应用到机械制造、冶金矿山、粉体工程、消防安全、船舶工程等领域，用于强化、钻孔、粉碎、灭尘、清洗等作业[3-4]。

空化喷嘴是实现在水射流内诱发空泡初生的关键元件，通过合理调节射流靶距可以促使初生空泡的不断发展长大，并在射流冲击靶材处发生空泡突然溃灭，达到空蚀破坏的效果。因此，为了获得空化水射流流场特性，一些学者分别通过理论分析、数值模拟和实验研究方法进行了相关研究，并取得了相应的研究成果[5-11]，但采用空化水射流技术解离鳞片石墨的研究还鲜见报道。笔者采用高速摄像机对设计的剪切型喷嘴的射流结构进行图像观察，获得空化水射流结构；应用FLUENT软件对剪切型空化水射流喷嘴解离鳞片石墨过程进行全流场数值模拟，获得石墨颗粒流场特性，为空化水射流解离鳞片石墨奠定技术基础。

1 射流空化实验

1.1 空化实验系统

射流空化实验系统如图1所示。该系统由水箱、过滤器、高压泵、压力表、溢流阀、高压管、喷嘴、空化箱、溢流管、收集箱、无频闪光源、高速摄像机、计算机等组成。水箱储存实验用水，水为普通自来水；过滤器滤去水中的尘埃、微粒、矿物质沉淀物等，减少对过流部件的磨损和腐蚀，延长各部件的使用寿命；高压泵为三柱塞清水泵，将水增压至工作压力，为射流空化实验提供连续稳定的压力用水；溢流阀用于调控实验用射流压力；喷嘴将水的压力能转换为动能，产生连续稳定的水射流，本次射流空化实验采用可视化对比实验法，利用的喷嘴分别为出口直径相等的出口带圆柱段圆锥收敛型喷嘴和圆锥收敛剪切型喷嘴(图2和图3)，进行射流空化效果对比。空化箱蓄水至溢流口的位置，为实验提供稳定的淹没环境，保持喷嘴所在位置的围压；无频闪光源产生高速摄像需要的光照强度和区域；高速摄像机为IDT Y4-S3型高速摄像机，用于水射流结构动态捕捉。

图1 射流空化实验系统

图2 圆锥收敛型喷嘴

图3 剪切型喷嘴

1.2 实验结果与分析

实验前，通过调节喷嘴淹没在空化箱液面下的深度，设定喷嘴出口围压为0.01 MPa，通过调节溢流阀开度控制喷嘴射流压力。采用图像法[12-14]判断两种形式的喷嘴射流是否产生空化现象，即当初始均匀的水射流中出现空泡时则认为出现了空化现象。高速摄像机记录获得的两种喷嘴出口的射流结构如图4所示。

图4 射流结构

由图4可以看出，出口带圆柱段圆锥收敛型喷嘴形成的水射流在喷嘴出口位置没有肉眼可见气泡产生，没有产生空化现象；圆锥收敛剪切型喷嘴形成的水射流在喷嘴出口位置出现大量肉眼可见气泡，并出现典型的空化云结构，产生了明显空化现象。因此，设计的剪切型喷嘴可以产生稳定的空化水射流，为接续开展的数值模拟研究提供了正确的喷嘴结构。

2 射流石墨颗粒流场数值模拟

2.1 几何模型

采用SolidWorks软件建立剪切型喷嘴的几何模型。该几何模型由入口圆锥收敛段、圆柱段、出口圆锥扩散段和外流场圆柱体4部分组成。根据解离鳞片石墨颗粒工艺要求，取喷嘴圆锥收敛段的入口直径为7 mm，收敛角为30°，收敛段长度为9.3 mm；圆柱段的直径为2 mm，长度为10 mm；出口圆锥扩散段的扩散角为60°，长度为10 mm；喷嘴外流场的长度为20.7 mm，直径为30 mm。

2.2 有限元模型

采用FLUENT软件前处理模块GAMBIT进行水射流全流场几何模型网格划分，模型全局采用四边形结构化网格，在物理量变化比较剧烈的入口圆锥收敛段的出口部位、圆柱段和出口圆锥扩散段的入口部位进行局部网格加密，以提高这些部位的计算精度。划分后网格的单元数为9 683个，节点数为9 974个，有限元模型如图5所示。

图5 有限元模型

2.3 计算方法与边界条件

多相流动模型选择欧拉模型，设置水为主项、石墨颗粒为次项，湍流模型选择k-ε模型，求解方法中压力速度耦合采用SIMPLEC算法，动量方程、湍流运输方程均采用一阶迎风格式。喷嘴的入口边界条件和外流场的出口边界条件分别设置为压力入口和压力出口，通过改变喷嘴入口压力获得压力对石墨颗粒流场特性的影响，近壁面处选用标准壁面函数。

2.4 模拟结果与分析

数值模拟研究了射流喷嘴入口压力分别为10、15、20、25和30 MPa时，石墨颗粒流场的分布规律。

2.4.1 压力对石墨颗粒流场轴向速度的影响

图6给出了喷嘴入口压力p分别为10、15、20、25和30 MPa时，射流石墨颗粒流场的轴向速度va分布云图。

RDD是一种罕见的非恶性增生性疾病，在1969年由 Rosai和 Dorfman首次正式命名[3]。1990年，Foucar等[7]对RDD进行了系统的文献回顾，详细描述了淋巴结的和结外RDD的临床病理特征，并认为43%的患者至少有一个结外受侵的部位。RDD的原因目前尚不清楚，可能与病毒或某种微生物感染有关[12，13]，也可能是一种不确定的自身免疫性疾病[14]。在淋巴结和结外的受侵部位中，头颈部区域较常见。

图6 石墨颗粒流场轴向速度分布云图

由图6可以看出， 不同入口压力时石墨颗粒流场的轴向速度分布规律相同，且具有明显的轴对称性。在射流进入外流场后，石墨颗粒与周围静止的水由于介质密度差较大，两种介质发生剪切的强度增大，相互掺混更加剧烈，石墨颗粒轴向速度的边界呈现明显的不规则形状。

图7给出了喷嘴入口压力分别为10、15、20、25和30 MPa时，射流石墨颗粒流场轴心速度vc分布曲线。图8给出了喷嘴入口压力为10 MPa，轴向位置坐标分别为5 mm(收敛段内)、19.3 mm(圆柱段出口)、20.0、22.0、25.0(扩散段内)和29.3 mm(扩散段出口)的截面上，石墨颗粒流场轴向速度分布。

图7 石墨颗粒流场轴心速度分布曲线

由图7可以看出，随着轴向位置坐标的增加，不同入口压力时石墨颗粒流场的轴心速度变化规律相同，即从喷嘴入口起，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心速度开始逐渐增大，在某一位置坐标处达到最大轴心速度，然后轴心速度逐渐减小，直至外流场右边界轴心速度不再变化。

在喷嘴圆锥收敛段，随着轴向位置坐标的增加，喷嘴过流断面面积逐渐减小，石墨颗粒流场的轴心速度迅速增大；在圆锥收敛段出口位置坐标9.3 mm处，不同压力时石墨颗粒流场的轴心速度分别为88.92、109.08、126.17、141.25、154.90 m/s。

在喷嘴圆柱段，虽然喷嘴过流断面面积不变，但由于在液固两相流动中，石墨颗粒流场速度小于水流场速度，存在速度滑移，水流场对石墨颗粒流场有一个牵引力作用，则石墨颗粒流场的轴心速度继续增大，只是增加的相对减缓；在圆柱段出口位置坐标19.3 mm处，不同压力时石墨颗粒流场的轴心速度分别为104.62、128.53、148.76、166.56、182.67 m/s。

图8 横截面上石墨颗粒轴向速度分布

在喷嘴扩散段，虽然随着轴向位置坐标的增加，喷嘴过流断面面积逐渐增大，但由于在液固两相流动中，水流场速度存在一个等速核，在等速核区段内水流场对石墨颗粒流场仍然存在牵引加速作用，在这个区段内石墨颗粒流场的轴心速度仍在继续增大，在扩散段内位置坐标21 mm处轴心速度达到最大值，不同压力时石墨颗粒流场轴心速度最大值分别为108.34、133.14、153.99、172.41、189.09 m/s，然后轴心速度逐渐减小。在外流场，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心速度逐渐减小，在外流场右边界位置坐标50 mm处，不同压力时石墨颗粒流场轴心速度分别为86.51、106.47、123.19、138.03、151.43 m/s。

在接近喷嘴壁面处速度梯度较大，射流各点速度差也较大。由图8c、d、e、f分别可以看出，在喷嘴扩散段20 mm位置处，横截面上石墨颗粒流场的轴向速度呈抛物线分布规律；在扩散段22.0、25.0、29.3 mm位置处，横截面上石墨颗粒流场的轴向速度最初呈正态分布规律，之后正态分布下部发生变形，且在喷嘴中心部分的高速部分逐渐减小，接近喷嘴壁面的低速部分逐渐增大，速度梯度总体上在逐渐减小。速度梯度的存在使石墨颗粒之间发生速度滑移，产生相互作用力，实现石墨颗粒之间相互剥离，这在一定程度上提高了石墨颗粒的解离效果。

2.4.2 压力对石墨颗粒流场轴向动压强的影响

图9给出了喷嘴入口压力分别为10、15、20、25和30 MPa时，射流石墨颗粒流场的轴向动压强分布云图。由图9可以看出，不同入口压力时石墨颗粒流场的轴向动压强分布规律相同，也具有明显的轴对称性。与轴向速度分布云图相比，在喷嘴的圆锥收敛段和圆柱段，两种云图的规律性相似，但在喷嘴扩散段和外流场，轴向动压强分布云图的边界相对比较规则，且射流宽度小于轴向速度的射流宽度。

图10给出了喷嘴入口压力分别为10、15、20、25和30 MPa时，射流石墨颗粒流场轴心动压强pc分布曲线。由图10可以看出，随着轴向位置坐标的增加，不同入口压力时石墨颗粒流场的轴心动压强变化规律相同，且与轴心速度分布曲线变化规律也相同。即从喷嘴入口起，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心动压强开始逐渐增加，在某一位置坐标处达到最大轴心动压强，然后轴心动压强逐渐减小，直至外流场右边界轴心动压强不再变化。

图9 石墨颗粒流场轴向动压强分布云图

图10 石墨颗粒流场轴心动压强分布曲线

在喷嘴圆锥收敛段，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心动压强迅速增大；在圆锥收敛段出口位置坐标9.3 mm处，不同压力时石墨颗粒流场的轴心动压强分别为8.3、12.5、16.4、21.0、25.2 MPa。

在喷嘴圆柱段，石墨颗粒流场的轴心动压强继续增加，只是增加相对减缓；在圆柱段出口位置坐标19.3 mm处，不同压力时石墨颗粒流场的轴心动压强分别为11.5、17.3、23.2、29.1、35.0 MPa。

在喷嘴扩散段，石墨颗粒流场在射流等速核区段内轴心动压强仍继续增加；在扩散段内位置坐标21 mm处达到最大值，不同压力时石墨颗粒流场轴心动压强最大值分别为12.3、18.6、24.9、31.2、37.5 MPa，然后轴心动压强逐渐减小。在外流场，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心动压强逐渐减小，在外流场右边界位置坐标50 mm处，不同压力时石墨颗粒流场轴心动压强分别为7.9、11.9、15.9、20.0、24.1 MPa。

3 结 论

(1)设计的圆锥收敛剪切型喷嘴形成的水射流产生大量肉眼可见气泡，并出现典型的空化云结构，发生了明显空化现象，可以形成稳定的空化水射流。

(2)石墨颗粒流场的轴向速度与轴向动压强的分布规律相同，均具有明显的轴对称性；但在喷嘴扩散段和外流场，轴向动压强分布云图的边界相对比较规则，射流宽度小于轴向速度的射流宽度。

(3)石墨颗粒流场轴向速度在喷嘴横截面上存在速度梯度，使石墨颗粒之间发生速度滑移，产生相互作用力，可以实现石墨颗粒的相互剥离。

(4)石墨颗粒流场的轴心速度与轴心动压强的变化规律相同；从喷嘴入口起，随着轴向位置坐标的增加，石墨颗粒流场的轴心速度与轴心动压强均开始逐渐增大，在位置坐标21 mm的扩散段处均达到最大值，然后逐渐减小，直至外流场右边界不再变化。