基于ICEM CFD與ANSYS FLUENT的熱力射流噴嘴流場分析

周建釗，徐肖攀，朱自成，劉宇晨，儲偉俊，賴思偉

(1.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007;2.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052)

0 前言

冬季路面覆冰使路面附著系數急劇降低，造成過往車輛打滑、制動距離延長，甚至剎車失靈、方向失控等，從而造成嚴重的交通事故［1－2］。為了保證交通順暢和行車安全，提高道路通行能力和運營效益，必須采取有效的措施清除路面冰雪［2－4］。以下簡要介紹了前期的研究成果:熱力射流—機械銑削復合除冰技術［2，5］，先利用熱力射流技術將完整的冰面切割成獨立的冰塊區域，再利用機械銑削切割的方法將冰塊切除。其中，熱力射流是整個裝置最關鍵的環節。

水射流切割技術是近20年發展起來的一門新技術，它利用高壓水壓縮機產生高壓水，通過急劇收縮的噴嘴將壓力能轉變為動能，以高速、集聚的射流進行噴射，完成對物件的清洗、切割、破碎等工作［6］。噴嘴是水射流技術的關鍵裝置，它是通過內孔橫截面的收縮，將高壓水的壓力能匯聚，轉化為動能進行噴射［7］。為提高除冰效率，熱力水射流在切冰環節應具有良好的集聚性與射流速度，以便將冰面快速切割，為機械銑削做好準備。為此，本文作者綜合運用數值仿真與試驗驗證的方法，對噴嘴的內部結構及其對射流流場的影響進行研究。

1 除冰裝置設計

文中設計了以城市道路灑水車為載體的熱水射流機械復合除冰裝置，除冰裝置加掛在灑水車的后部，灑水車主要用于提供射流所需的水和增壓系統，除冰裝置主要由加熱混合系統、射流切割系統和機械除冰系統組成。其中加熱混合裝置用于加熱灑水車提供的冷水并將加熱后熱水與環保型融冰劑混合。為提高效率，加熱系統還具有融化冰雪功能，通過利用燃料鍋爐排放的高溫廢氣融化收集的冰雪以現地補充除冰所需水，實現資源再利用［2，5］。為實現將路面覆冰切割為獨立冰塊，設計了如圖1所示噴射裝置，其底部安裝有兩組噴頭，每組包含30—40 個噴嘴，噴頭直線等間距排列。噴頭可以劃分為兩類:錐形噴頭和錐直形噴頭。

圖1 熱力水射流裝置的設計

2 建立噴嘴射流的數學模型

水射流常常涉及兩相及多相混合的介質射流，流動機制比較復雜［6］。計算流體力學(CFD)是基于離散化的數值計算方法，利用計算機對流體相對于不同固體邊界的內外流場進行數值模擬與分析。它克服了傳統理論與實驗研究的弱點，通過對流場的整體狀況進行研究，能夠準確把握流場的產生、壓力、溫度、速度等隨時間的分布情況，以便后續的優化設計［7－8］。

隨著計算機技術與CFD 理論研究的不斷發展，關于CFD 的應用軟件也逐漸興起。其中，FLUENT 是相對成熟、運用最為廣泛的流體分析軟件。它基于有限體積法對計算區域進行離散，使用者可根據實際情況設立初始條件及邊界條件，選擇相應的計算模型進行求解。

根據除冰裝置的結構特點，主要研究非淹沒射流下的噴嘴流場的變化過程。不可壓縮流體在空間直角坐標系的連續性方程為［9］:

式中:vx、vy、vz分別為x、y、z 3 個方向的速度分量，單位為m/s;t 為時間變量，單位為s;ρ 為流體密度，單位為kg/m3。由于噴嘴口的橫截面積急劇收縮，射流在流經此處時呈高速湍流狀態。因此，采用標準的κ－ε［6，9］方程，其湍流動能κ 與耗散率ε 的表達式分別為:

其中:

式中:Gk為平均速度梯度引起的湍動能;Gb為浮力影響引起的湍動能;YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;C1ε、C2ε、C3ε為經驗常數，其在FLUENT 中的默認值分別為1.44、1.92、0.09;σk、σε分別為湍動能和湍動能耗散率對應的普朗特常數，其在FLUENT 中的默認值分別為1.0 和1.3;Prt為湍動普朗特數，一般為0.85。gi為重力加速度在i 方向上的分量;β 為熱膨脹系數;Mt為馬赫數;a 為聲速。

3 建立噴嘴幾何模型并劃分網格

錐形噴嘴和直形噴嘴如圖2所示，其入口直徑D為1 cm，出口直徑d 為1 mm，錐角α 為80°，圖2(b)中L/d=2，以上數據均為實驗室中實際使用的噴嘴基本尺寸。運用ANSYS14.0 自帶的網格劃分軟件ICEM CFD 分別建立兩種噴嘴的二維模型，如圖3、4所示。在網格劃分時，考慮到計算邊界結構的復雜性，采用三角形非結構網格。它可以有效消除結構網格中節點的結構性限制，提高計算的靈活性與準確性。

圖2 兩種類型噴嘴內部結構圖

圖3 錐形噴嘴內外流場網格劃分

圖4 錐直形噴嘴內外流場網格劃分

在圖3所示的錐形噴嘴模型中，入口邊界IN 為AB，出口邊界OUT 為CD、DE、FE，噴嘴壁面邊界WALL 設定為BJ、JI、IH、HG、GC，對稱軸AXIS 為AF。同樣，在圖4所示的錐直形噴嘴模型中，入口邊界IN 為AB，出口邊界OUT 為CD、DE、FE，噴嘴壁面邊界WALL 設定為BL、LK、KJ、JI、IH、HG、GC，對稱軸AXIS 為AF。由于在熱力射流除冰裝置中，設計噴頭與冰面之間的靶距為7 ～8 cm，因此在ICEM CFD 中建立外部流場，其基本尺寸為50 mm ×100 mm。

4 ANSYS FLUENT 流場仿真與結果分析

由于非淹沒射流條件下射流噴出孔口時與外部空氣進行復雜的動量與能量交換，因此射流的工作介質(水)和環境介質(空氣)在外部流場相互混合，使流體呈現為氣液兩相混合介質射流。因此，在計算時選用Mixture 兩相流模型，采用k－ ε 湍流模型進行數值計算。根據所選用的抽水泵流量參數，可得噴嘴入口平均流速為2 m/s。因此，設置入口邊界為Velocity-inlet，速度為2 m/s，出口邊界選擇Outflow。

設置Axis、Wall、Surface 在FLUENT 中對應的邊界模型，同時對計算殘差Residual、迭代次數iterations 等進行設置，并初始化計算模型，之后開始計算。

4.1 噴嘴的軸向速度分析

采用了兩種噴嘴進行仿真，噴嘴的圓錐段尺寸及收縮角參數完全相同。其中，錐直形噴嘴出口圓柱段的長徑比L/d=2。從軸向速度分布云圖5、6 中可以看出:錐形噴嘴的軸向最大速度為248 m/s，略大于錐直形噴嘴的軸向最大速度245 m/s;錐形噴嘴的等速核長區大于錐直形噴嘴;此外，從仿真結果中可以得出:錐形噴嘴的射流集聚性明顯大于錐直形噴嘴，具有較大的紊流動能和較小的紊流能量耗散率。

圖5 錐形噴嘴軸向速度分布

圖6 錐直形噴嘴軸向速度分布

根據實際流體的伯努力方程:

式中:z1、z2分別表示孔口前后流體的高度;p1、p2分別表示孔口前后的相對壓力;α1、α2分別為孔口前后的水頭系數;ρ、g 分別為流體密度與重力加速度;v1、v2分別表示孔口前后流體的速度;hf表示為壓力損失。從而可以得出:

根據水射流噴嘴尺寸及射流特點，選定參數代入式(6)計算可得:v2為242 m/s，與仿真結果基本吻合。

圖7、8 分別為錐形、錐直形噴嘴的軸向速度隨流場軸向位置變化的分布曲線。其中，縱坐標表示軸向速度，橫坐標表示軸向位置變化。從中可以看出:當軸向距離為0 ～15 mm 之間時，錐形與錐直形噴嘴的軸向速度均為入口速度2 m/s;當軸向距離為15 ～20 mm 之間時，由于流體流經收縮錐面，軸向速度均急劇增大，錐形噴嘴的曲線斜率更大，變化更劇烈;當軸向距離為20 mm 時，射流速度達到最大;當軸向大于20 mm 時，錐形噴嘴的噴射速度急劇減小，錐直形噴嘴的射流速度變化則比較平緩。表1 為兩種噴嘴的仿真數據與理論數據計算值，其中仿真結果相對于理論計算結果略微偏大，但均在誤差范圍內。綜上所述，與錐直形噴嘴相比，錐形噴嘴的速度變化更為劇烈，易對裝置產生造成振動和沖擊。

圖7 錐形噴嘴軸向速度分布曲線

圖8 錐直形噴嘴軸向速度分布曲線

表1 兩種噴嘴的仿真數據與理論數據表

4.2 錐直形噴嘴的動壓分析

圖9、10 分別為錐直形噴嘴的動壓分布圖和軸向動壓分布曲線。從圖9 中可以看出:位于噴嘴入口處與外部流場中遠離噴嘴出口的壓力變化接近于0;越靠近噴嘴出口，壓力變化越大。這是因為流體流經錐面時，受到收縮壁面的強烈作用力而導致內部壓力急劇增大。從圖10 中可以看出，在接近噴嘴出口的圓柱段，動壓先急劇減小又急劇增大。這是由于流體經過錐形收縮面與出口圓柱段的邊緣時，由于流動方向的突然改變而產生頸縮現象。在收縮端面上，噴嘴的環境壓力為負壓。這有助于抽吸短管上游的水，增加裝置運行的平穩性。

圖9 錐直形噴嘴軸向動壓分布

圖10 錐直形噴嘴軸向動壓分布曲線

5 試驗驗證

為驗證仿真結果，選用如圖11所示的直徑均為1 mm 的錐形與錐直形噴嘴，在平均入口流速為2 m/s的條件下，進行試驗。圖12 為兩種噴嘴射流集聚性比較，其中圖12(a)為錐形噴嘴的射流形狀，圖12(b)為錐直形噴嘴的射流形狀，黑色標志為射流等速核長區域。從圖11 及表2 中可以看出:錐形噴嘴比錐直形噴嘴的射流集聚性更高，等速核長度更大。

圖11 錐形與錐直形噴嘴

圖12 相同孔徑的錐形與錐直形噴嘴的射流集聚性比較

表2 兩種噴嘴的仿真數據與實驗數據表

6 結論

通過對錐形與錐直形噴嘴進行流場仿真和試驗分析，得出以下結論:

(1)流體的速度在噴嘴的收縮段迅速增加，在噴嘴出口處會形成一個等速流核區。在相同邊界條件和初始條件下，錐形噴嘴的等速核區大于錐直型噴嘴。

(2)當射流流經噴嘴收縮段時，其速度梯度增大。錐形噴嘴的速度變化率比錐直形噴嘴的大，因而易對噴射裝置產生沖擊，降低裝置運行的平穩性。

(3)由于頸縮現象的存在，錐直形噴嘴的出口圓柱段極易形成負壓，這有助于抽吸負壓截面上游的水到下游出口，提高流量的連續性，使裝置運行更趨平穩。

(4)通過試驗發現:錐形噴嘴的等速核長區域明顯大于錐直形噴嘴，射流集聚性更高，再次驗證了仿真結果的準確性和正確性。

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