双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟

戚美，王立夫，陈庆光，赵见龙，鞠永恒，付琪琪

(山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

自激振荡脉冲空化射流是一种具有很强空化作用的新型水射流技术，同时具有结构简单、无附加驱动结构、无动密封等优点，其冲击效果优于连续射流，广泛应用于船体清洗、油罐底泥清洗等诸多领域[1].空化是指由于液体中局部压强小于饱和蒸汽压时而诱发的液体内部空气泡的产生、发展和溃灭的过程，由于空气泡在溃灭的瞬间释放大量的能量，利用该能量可以实现对液体流动的强化，达到增效、节能和降耗的效果.ALEHOSSEIN等[2]通过求解Rayleigh-Plesset方程模拟了射流中空化泡的生成、溃灭的变化过程，认为空气泡对空化射流具有较大的影响.李江云等[3]对空化初生条件进行了研究，提出一种适于高速剪切流的非定常空化模型，在一定程度上改善了非定常空化模型的收敛性.AKIRA等[4]通过PIV试验研究了不同雷诺数和空化数下空化效应对液体射流液滴破碎的影响.MOHAMMAD等[5]通过数值计算的方法研究了空化效应对直喷式柴油发动机喷嘴喷雾穿透长度、液滴分布等情况的影响.王乐勤等[6]认为自激振荡脉冲喷嘴的结构尺寸参数对射流具有较大影响，并根据试验推导出自激振荡腔固有频率的定性分析公式.唐川林等[7]根据水声学原理和瞬变流理论，在自激振荡脉冲射流喷嘴的基础上，设计了一种串联型脉冲喷嘴，分析了串联型脉冲射流动态特性及结构变化对脉冲射流特性的变化规律.孙鹏飞等[8]在传统赫姆霍兹喷嘴出口处添加可以增强空化效果的扩张管结构，分析不同变量对于空化射流效果的影响.汪朝晖等[9]基于自激振荡脉冲喷嘴的空化效应和多相流模型，计算振荡周期100 ms内的空化泡破碎、腔室两相分布、速度分布等结果.李根生等[10]在风琴管谐振器的基础上研究自振空化喷嘴，并用于石油钻井钻头上，经试验证实，相较普通钻头，自振钻头钻速有明显的提高.杨志贤等[11]设计一套超高压清洗系统喷嘴机构，研究了靶距、压力、清洗速度对路面标志线清洗效果的影响.

上述基于单腔室自激振荡脉冲喷嘴的研究较多，但大多针对喷嘴内空化特性进行分析，而对串联型脉冲喷嘴的研究较少.文中以前后串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴为研究对象进行数值计算，分析来流雷诺数、前后腔室腔长比、腔径比对射流空化的影响，旨在提高喷嘴腔室内部空化程度，改善清洗效果.

1 双腔室喷嘴模型

1.1 双腔室喷嘴物理模型

基于文献[12]设计的单腔室自激振荡脉冲喷嘴尺寸结构，采用前后串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴，其物理模型如图1所示，图2为喷嘴的二维示意图.其中上流道直径d0=15 mm，中流道直径d1=24 mm，下流道直径d2=28 mm，上流道长度l1=30 mm，下流道长度l3=l4=30 mm，前腔室腔径D1=100 mm，后腔室腔径D2=100 mm，前腔室腔长L1=60 mm，后腔室腔长L2=100 mm，前后腔室腔距l2=30 mm，前腔室夹角θ=60°.

图1 双腔室自激振荡脉冲喷嘴模型

Fig.1 Model of double chamber self-oscillation pulse nozzle

图2 喷嘴二维示意图

1.2 空化模型

空化射流的过程涉及相变传质，建立空化模型的关键问题就是考虑质量传输问题.空化传质的建立不是单独的，需要将空化模型作为平衡方程中的一部分用来描述蒸汽的产生与破碎.文中选用Zwart-Gerber-Belamri空化模型，该模型可用来模拟多相流流动或者多相流中的物质传输，模型假设在液体中气泡具有相同的初始尺寸.

1.3 数值模拟参数设置

采用ICEM软件对双腔室自激振荡脉冲喷嘴物理模型进行网格划分.为提高计算精度，对腔室区域进行网格加密处理.网格无关性验证结果表明，当网格数大于100万时，网格数对模拟结果的影响可忽略不计.

利用Fluent软件对双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流进行数值模拟，上流道入口设置为速度入口，下流道出口设置为压力出口，出口压力参数设置为101 325 Pa.液体介质选用常温下的水，蒸汽介质选用水蒸气，饱和蒸气压为3 540 Pa，数值计算采用PISO算法.

2 数值计算结果与分析

2.1 来流雷诺数对空化的影响

改变喷嘴进口速度，使来流雷诺数分别为Re=2.98×105， 3.72×105， 4.17×105， 4.31×105，分析来流雷诺数对双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化情况的影响.图3为不同雷诺数时喷嘴内液相体积分数分布云图，由图3可以看出，当来流雷诺数由2.98×105增大至4.31×105时双腔室自激振荡脉冲喷嘴内液相体积分数先减小后增大，空化程度相应地先增大后减小.造成这种现象的原因是由于空化的发生在一定程度上受边界层的影响，而边界层又受到来流速度的影响，所以当改变来流雷诺数时腔室内的空化效应随之改变.

图3 喷嘴内液相体积分数分布云图

2.2 腔长比对空化射流的影响

令P=L2/L1，通过改变P的大小分析不同腔长比对自激振荡脉冲空化射流的影响.分别取腔长比为0.33，0.67，1.00，1.33，1.67进行数值模拟，得到喷嘴内液相体积分数分布云图和XY平面上的流线如图4所示.

图4 不同腔长比时喷嘴内空化射流的变化

由图4可以看出：空化易发生在结构突变处，腔室内具有对称性的涡环结构流线，涡环对主体射流产生一定的周期性阻抗，形成振荡系统产生脉冲射流；由于涡环结构的存在，在腔室内产生低压区域，压力低于饱和蒸气压时产生空化；当腔长比为0.67时，双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化气囊近乎对称分布，形状规则的空化气囊可以增强空化作用，提高腔室内的空化程度.

在喷嘴出口横截面沿直径方向均匀选取15个监测点(见图5)，计算得到各测点处速度分布如图6所示，可以看出，当腔长比为0.67时出口处速度最大且对称性较佳.

图5 喷嘴出口横截面监测点分布

Fig.5 Arrangement of monitoring points in cross-section at exit

图6 不同腔长比时喷嘴出口速度分布

Fig.6 Velocity profile at nozzle exit with different chamber length ratios

2.3 腔径比对空化射流的影响

令W=D2/D1，改变双腔室自激振荡脉冲喷嘴前后腔室腔径，使前后腔室腔径比分别为0.60，0.80，1.00，1.20，1.40，对喷嘴进行数值模拟，得到喷嘴内液相体积分数分布云图和XY平面上的流线，如图7所示.

由图7可以看出：当腔径比为1.20时腔室内的涡环结构流线对称性最佳，该涡环结构对主体射流产生一定的周期性阻抗，形成一个振荡系统，从而产生脉冲射流；涡环结构在腔室内形成低压区域，从而产生空化；单一对称的涡环结构有利于空化的发生，同时腔室内对称性好的空化气囊可减少能量的损失，提高空化程度.

图8为喷嘴出口速度分布，可以看出，腔径比为1.20时喷嘴出口处具有较高的速度，因此取腔径比W=1.20时双腔室自激振荡脉冲喷嘴具有较好的空化效应.

图7 不同腔径比时喷嘴内空化射流的变化

图8 不同腔径比时喷嘴出口速度分布

Fig.8 Contours of liquid phase volume fraction at nozzle exit with different chamber diameter ratios

3 结 论

针对双腔室自激振荡脉冲喷嘴的来流雷诺数、腔长比、腔径比对其内部空化性能的影响进行了研究，得到结论如下：

1) 当双腔室自激振荡脉冲喷嘴来流雷诺数由2.98×105增大至4.31×105时，喷嘴腔室内的液相体积分数先减小后增大，与之对应的空化程度先增大后减小.

2) 双腔室自激振荡脉冲喷嘴前后腔室腔长之比分别为0.33，0.67，1.00，1.33和1.67时，喷嘴腔室内空化效应因腔长的改变而受到影响.当腔室腔径比为0.67时，喷嘴腔室内涡环结构流线均匀性较好，有利于脉冲射流的产生，同时腔室内空化区域的形状较为规则，可以增强空化作用，提高喷嘴腔室内的空化程度.

3) 对比前后腔室腔径比分别为0.60,0.80,1.00,1.20和1.40时，腔室腔径比为1.20时，喷嘴内空化射流的变化，当腔径比为1.20时，喷嘴腔室内空化更为明显，空化气囊形状较为规则，可以增加空化作用，同时喷嘴腔室内涡环结构流线均匀分布，促进脉冲射流的产生.