人工淹没空化喷嘴的性能研究*

杜 鹏，吕顺顺

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

空化射流通过诱发含有空气(水蒸汽或混合气泡)的空泡产生，通过适度控制喷嘴出口截面到靶材料表面间距，使空泡发展长大，又随着射流冲击靶材料而溃灭，空泡溃灭的瞬间产生的局部高温高压以及冲击波，对材料表面进行破坏，以达到清洗效果。空化水射流蕴含着巨大的能量，但受空化效应产生的条件限制，目前空化水射流大多应用在淹没环境中，极大地限制了空化水射流的发展。针对上述问题，本文通过在喷嘴出口处营造淹没环境，构成人工淹没空化喷嘴，通过高低压水的剪切作用，产生空化水射流。

1 空化流场的特性分析

影响射流空化初生的主要因素是射流的压强和流速。空化的经典理论将液体的饱和蒸汽压强视为液体发生空化的临界压强。定义空化数δ0为：

其中：p0为空化初生时环境压力；pv为饱和蒸汽压；v0为空化初生时射流速度。

当δ0≤1时，可以判定发生空化效应。但在实际应用中发现，使用空化数判定是否发生空化的适用条件很局限，仅当液流收缩段横截面积与液流下流截面积之比为1∶2，且计算出的δ0≤0.5时才适用。所以在实际应用中并不能将空化数作为产生空化的依据，而是以液体压强是否低于其饱和蒸汽压来判断是否发生空化效应[1]。当液体压强低于相应环境下的饱和蒸汽压强时，液体中的微气泡开始爆发性生长，形成直径在20 μm以下的气核。当环境压强高于相应环境下的饱和蒸汽压时，空化泡由蒸汽变为液体而溃灭，在空化泡溃灭的瞬间会在液体内产生“内爆“形成空洞，在空洞附近的液体微团会向空洞中心形成冲击现象[2]，利用此能量能极大地提高射流冲击性能。

2 物理模型和边界条件

本文采用流体力学软件FLUENT进行仿真分析，建立空化效果较好的角形空化喷嘴物理模型进行模拟。以显著影响角形喷嘴空化效果的入口压力、扩张角、喉管直径为研究变量[3]，采用物理混合空化模型、RNG к-ε湍流模型和标准壁面函数。物理模型的入口边界条件为压力入口，出口边界条件为标准大气压101 325 Pa[4]。

运用Mesh软件对建立的喷嘴和流场区域进行网格划分，网格划分采用Multi Zone Quad方法进行控制，网格单元大小为0.01 mm，并对喷嘴内部网格进行加密。生成的网格全部为四边形结构化网格，网格数量约有19万个，检查网格单元质量大于0.8，表明网格质量很好，可以进行数值模拟计算。

3 角形喷嘴数值模拟结果与分析

3.1 入口压力对空化水射流的影响

扩张角为20°，喉管直径为1 mm，收缩角为30°，入口压力分别为10 MPa和100 MPa时的流场速度云图和含气率分布云图如图1和图2所示。由图1可以看出：当喷嘴入口压力为10 MPa时，射流在喷嘴轴线上最大速度为201 m/s，空化气泡分布的最大距离约为9 mm，由于在淹没环境下，受液体阻碍射流速度衰减很快，射流的最大流动距离和扰动范围约为17 mm。由图2可以看出：当喷嘴入口压力为100 MPa时，射流在喷嘴轴线上最大速度为313 m/s，空化气泡分布的最大距离约为12 mm，射流的最大流动距离和扰动范围约为20 mm。通过对比可知，喷嘴入口压力对流场中的流速和空化效应影响很大，可知在淹没环境下，射流空化的产生主要受射流最大流动距离和扰动范围影响，射流最大流动距离和扰动范围越大，产生的低压区越大，产生的空化气泡体积越大。

图1 入口压力10 MPa时的流场速度和含气率分布云图

图2 入口压力100 MPa时的流场速度和含气率分布云图

图3为射流在流场中的最大流速和含气率随着喷嘴入口压力的变化情况。由图3可以看出：射流的最大流速和含气率随着喷嘴入口压力的增大而增大。因此，为了保证射流中空化气泡的产生,可适当增加喷嘴的入口压力。但喷嘴入口压力的增加伴随着泵压的增大，可根据实际条件选取合适的入口压力。

图3 最大流速和含气率随入口压力变化曲线

3.2 扩张角对空化射流的影响

压力为20 MPa，收缩角为30°，喉管直径为1 mm，扩张角分别为10°和60°时的流场速度云图和含气率分布云图如图4和图5所示。由图4可以看出：当扩张角为10°时，射流在喷嘴轴线上最大速度为198 m/s，空化气泡分布的最大距离约为7 mm，射流在流场中的的最大流动距离和扰动范围约为18 mm。由图5可以看出：当扩张角为60°时，射流在喷嘴轴线上最大速度为201 m/s，空化气泡分布的最大距离约为10 mm，射流的最大流动距离和扰动范围约为15 mm。由图4和图5对比可知：扩张角的大小对最大流速的影响不显著，但扩张角大小决定着射流在喷嘴出口处的压力分布。喷嘴出口处的压力分布直接影响着射流的扰动范围，可以看出在喷嘴扩散角为60°时产生的气相体积要大于扩散角为10°时产生的气相体积，可知扩张角的大小对空化气泡的产生影响效果显著。

图4 扩张角为10°时的流场速度和含气率分布云图

图5 扩张角为60°时的流场速度和含气率分布云图

图6为射流在流场中的最大流速和含气率随扩张角的变化情况。由图6可以看出：随着扩张角的增大，射流在流场中的最大流速变化波动小，含气率先增大后减少。扩张角的大小对角形喷嘴在轴线上的最大流速影响不明显，最大流速波动范围在9 m/s之内，扩张角的改变主要通过影响射流在流场中的扰动范围影响含气率的大小。扩张角为60°时，含气率最高，空化效果最好。

图6 流场最大流速和含气率随扩张角变化曲线

3.3 喉管直径对空化射流的影响

角形喷嘴入口压力为20 MPa，扩张角为60°，收缩角为30°，喉管直径分别为1 mm和3 mm时的流场速度云图和含气率分布云图如图7和图8所示。由图7可以看出：射流在喷嘴轴线上的最大流速为202 m/s，空化气泡分布的最大距离约为10 mm，最大流动距离和扰动范围约为15 mm。由图8可以看出：射流在喷嘴轴线上的最大流速为201 mm/s，空化气泡分布的最大距离约为11 mm，最大流动距离和扰动范围大于20 mm。通过对比可以看出，喉管直径对喷嘴在轴线上的最大流速影响不显著，但对空泡的产生有一定影响。可以看出当喉管直径增大时，对含气率分布的最大距离影响很小，但对空化产生的形态影响比较显著。当喉管增大至3 mm时，射流中心部分不会再产生空化效果，可知喉管直径显著影响射流的空化效果。

图7 喉管直径为1 mm时的流场速度和含气率分布云图

图8 喉管直径为3 mm时的流场速度和含气率分布云图

图9为在喷嘴入口压力为20 MPa、扩张角为60°时流场速度和含气率随着喉管直径的变化情况。由图9可以看出：流场中的含气率随着喉管直径的增加先增加后减少，当喉管直径为2 mm时，流场中的含气率最高。这是由于在入口压力20 MPa下，喉管由2 mm增大时，扩散段壁面的影响限制了空化气泡的产生。所以进行角形喷嘴设计时，可以优先考虑把喉管直径设计成2 mm。

图9 最大流速和含气率随喉管直径的变化曲线

4 人工淹没空化喷嘴仿真分析

通过对角形喷嘴的入口压力、扩张角、喉管直径数值模拟可知，入口压力越大流场中的含气率越高，扩张角取60°时流场中的含气率最高，喉管直径取2 mm时流场中的含气率最高。所以在角形喷嘴结构设计时，优先把扩张角设计成60°，喉管直径设计成2 mm，入口压力在条件允许的前提下越大越好。通过上述角形喷嘴含气率分布云图可知，射流发生空化的阶段主要发生在出口处，所以在出口处营造淹没环境即可促进空化气泡的产生，形成空化射流。为此本文在上述角形喷嘴的基础上设计了一种人工淹没空化喷嘴，喷嘴剖面尺寸如图10所示， 入口1为压力入口，入口2为速度入口，收缩角为30°，扩散角为60°，喉管直径为2 mm。

图10 人工淹没空化喷嘴剖面图

图11为人工淹没空化喷嘴的流场速度和含气率分布云图。其边界条件为：入口1压力为20 MPa，入口2速度为2 m/s，外部流场为空气。图12为相同尺寸的角形喷嘴的流场速度云图和含气率分布云图，其边界条件为：入口压力为20 MPa，外部流场为液态水。由图11可知：人工淹没空化喷嘴在轴线上的最大流速为279 m/s，空化气泡分布的最大距离为5 mm，由于人工淹没喷嘴外部流场为大气环境，速度衰减很慢，在出口40 mm处仍能保持流速达170 m/s左右。由图12可知：角形喷嘴在轴线上的最大流速为203 m/s，空化气泡分布的最大距离为5 mm，而角形喷嘴在淹没环境下最大扰动范围只能保持在30 mm左右。从图11和图12的含气率分布云图对比可知，人工淹没空化喷嘴也能有效产生空化气泡，并维持到大气环境中。

图11 人工淹没空化喷嘴的流场速度和含气率分布云图

图12 角形喷嘴的流场速度和含气率分布云图

5 结论

(1) 通过流体力学软件FLUENT能较好地模拟空化喷嘴的内部流场和外部流场的流速和空化气泡的产生及分布情况。通过数值模拟可知，在淹没环境下角形喷嘴空化气泡的产生部位主要在喷嘴扩散段及离出口10 mm范围内，人工淹没空化喷嘴空化气泡的产生主要在出口处营造的淹没环境段，并能维持到大气环境中。

(2) 影响角形喷嘴产生空化射流的关键因素为入口压力、扩张角、喉管直径。在保持其他条件相同的情况下，喷嘴的入口压力越大、扩张角为60°、喉管直径为2 mm时，空化效果更好。

(3) 人工淹没空化喷嘴在大气环境中使用，能和角形喷嘴在淹没环境下产生相同的空化效果，且人工淹没喷嘴产生的射流速度衰减缓慢。