双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟∗

刘 印 孙鲁杰 李 哲 王云翔

（1.鄂托克前旗长城六号矿业有限公司 鄂尔多斯 017000）（2.山东科技大学机械电子工程学院 青岛 266590）

1 引言

自激振荡脉冲空化射流作为一种新型水射流技术，广泛应用于大型油罐底泥清洗、船体清洗、湖泊油污清洗以及破岩碎石、油气开采等工业领域。空化是因为液体中局部压强低于饱和蒸气压时诱发液体内部空化泡的产生发展溃灭的现象。ZENG和YANG等[1～2]则对扰动最大放大模式下不同的剪切层碰撞结构的振荡频率建立数学模型，分析高频水平自激气固两相管道流中颗粒的速度特性、浓度特性及湍流喷射的流动特性。汪朝晖等[3]基于空化泡溃灭的雾化机理和自激振荡脉冲喷嘴出口流道空化过程，分析空化效应对自激振荡脉冲射流雾化效果的影响。依据自激振荡脉冲雾化喷嘴结构，分析射流来流速度和脉动压强对喷嘴出口流道空化效应的影响。提出利用来流雷诺数和脉动特征值表征喷嘴出口流道空化程度，并根据自激振荡脉冲喷嘴有限元分析得到喷嘴出口流道较好空化状态的来流雷诺数和喷嘴腔室长径比。裴江红等[4]同样提出了一种双腔室结构喷嘴，并建立频率分析公式，对比单腔室结构，双腔室结构提高了射流的峰 值 压 强 。 ALEHOSSEIN 等[5]通 过 求 解 Ray⁃leigh-Plesset方程模拟空化泡的生成、溃灭的变化情况。射流中空化过程十分复杂，包括空化的发生机理[6]、流动特征等，一旦发生空化就会产生噪声、振动等情况，严重时会对机械产生破坏。SUH等[7]将喷油嘴简化成二维矩形空壳结构，并研究喷孔在不同的结构下的空穴流动对喷雾的影响情况。刘琦等[8]采用了180MPa的高压燃油喷射，分析了喷孔内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性。张坤等[9]利用 RUN k-ε、Realizable k-ε、标准k-ω和SST k-ω 4种湍流模型，对低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场进行数值模拟研究，验证四种湍流模型对脉冲空化喷嘴内部三维非定常流场模拟的适定性。CHEN等[10]运用数值模拟证实空化射流对钢铁腐蚀的主要原因就是空化泡溃灭时会产生高强度的冲击波和瞬间的高温。RYUTA等[11]利用阴影成像技术与正交分解（POD）相结合，分析空化射流特性，结果表明空化云中存在生长、收缩和脱离的周期性行为。邓嵘等[12]基于水声学原理和瞬变流理论对双腔室自激振荡脉冲喷嘴进行数值模拟，通过与单腔室自激振荡脉冲喷嘴冲击力进行对比得到冲击力最强的双腔室结构。汪朝晖等[13]基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型，建立了自激振荡脉冲射流空化模型。依据自激振荡腔室结构及其几何参数建立了腔室轴对称物理模型，计算得到了振荡周期100ms内自激振荡脉冲射流的空化泡破碎、腔室内两相分布、湍动能分布和速度分布等结果。王维军等[14]为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性，采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型，对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析，得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压强面上的压强，并与无空化做了对比，提出了空化初生判定准则，系统划定了离心泵的空化区域。

国内外学者使用实验、数值模拟等方法，针对空化的发生机理、喷嘴结构对空化效果的影响进行探究，并优化喷嘴结构参数，但大多数研究多为单一腔室结构的空化喷嘴，对串联型双腔室结构研究较少。同时对腔室内掺气条件下的空化研究更少，因此本文对双腔室串联结构喷嘴进行掺气处理，并对结构参数对空化效果的影响进行分析。

2 数学模型的建立

2.1 喷嘴的物理模型

基于汪朝晖等[13]模型参数建立本文所需要的双腔室喷嘴模型，如图1所示。

结构参数如表1所示。

2.2 空化模型

空化过程涉及相变传质，建立空化模型要考虑到质量传输问题，为此本文选取的空化模型为Zwart-Gerber-Belamri模 型[15]。 Zwart-Gerber-Be⁃lamri模型通常假设在系统当中所有的气泡均有相同的初始尺寸大小，Zwart-Gerber-Belamri模型传质速率是根据单位体积内的气泡数量确定的。

图1 喷嘴二维示意图

表1 结构尺寸参数（mm）

若P≤Pv时，代表气泡生成的过程：

若P≥Pv时，代表气泡溃灭的过程：

其中：αnuc为气核初始体积分数，αv为汽相体积分数，Ce为蒸发速率系数，Cc为凝结速率系数。

2.3 数值模拟设置

采用ICEM软件进行网格划分，并进行网格无关性验证，最终选取网格数为95426，利用FLUENT软件进行数值模拟，进口采用压力进口，压力设置为1101325pa，出口采用压力出口，压力设置为101325pa，饱和蒸汽压设置为3540pa。湍流模型选取RUN k-ε模型。

3 数值分析

3.1 双腔室喷嘴掺气对比

由图2可知当对腔室内进行掺气处理时，可有效地提高腔室内空化程度，提高气相体积分数，即相应的液相体积分数减小。当喷嘴腔室掺气口径分别为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm时，由图3、4可知当腔室掺气孔径由4mm增加到12mm时腔室内的湍动能减小，说明腔室内的能量交换减小，同时腔室内涡环对称性变差，空化的产生是因为腔室内部的涡环流线结构，该结构对轴线处主体射流形成一定周期性的阻抗，可以在腔室内部形成有效的低压区域促进空化的发生，涡环结构对称性变差导致空化程度降低，因此随着掺气孔径的增大，掺气量的增加空化程度并不会随之变大。

图2 液相体积分数

图3 湍动能云图

图4 流线图

3.2 掺气孔对空化的影响

选取腔室掺气孔径为4mm，改变腔室掺气孔的数目与位置，由图5可知当孔径数目位置不同时对腔室内空化程度影响较为剧烈，当掺气孔径位置上下对称分布时，其空化程度高于其他方式分布的掺气孔径，同时当掺气孔径数目增加，空化程度增大，因此采用腔室上下对称分布方式排列掺气孔径时，具有理想化的空化程度。

图5 液相体积分数

4 结语

本文对双腔室空化喷嘴进行掺气处理，分析不同掺气孔径大小、数目及排列方式对腔室内空化程度的影响，得到以下结论：

1）对双腔室空化喷嘴进行掺气处理，可以在一定程度上提高腔室内空化程度，又利于腔室内空化的发生。

2）改变腔室掺气孔径的大小，当随着掺气孔径变大，腔室内湍动能减小，涡环结构变差，腔室内空化程度会随着孔径的变大而减小。

3）当掺气孔径一定时，改变掺气孔位置、数目，当在腔室对称分布掺气孔时，具有较好的空化程度，当随着掺气孔数目增加时，空化程度随之变大。