帶整流管炮桿的射流特性研究

于蘭英，朱博垚，柯 堅，王國志，吳文海

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

利用高壓水對接觸網絕緣子進行定期沖洗是避免鐵路接觸網絕緣子污穢閃絡的有效措施。KJ系列電氣化鐵道絕緣子帶電水沖洗裝置利用列車運行間隙實現帶電沖洗作業，極大提高了工作效率，大幅減低了勞動強度。噴嘴的結構直接影響了沖洗效果。噴嘴要求水柱核心段長，水流出噴嘴后不散射，減少水流的湍流強度，從而提高沖洗打擊力。

炮桿是對噴嘴進行安裝固定的連接件，由于前端彎頭比較多，炮桿也是水介質整流的重要裝置。本文以水沖洗裝置用炮桿為對象，研究帶整流管炮桿對水射流湍流強度的影響。

1 炮桿結構

炮桿前端與噴嘴相連，后端與水管相連，結構如圖1所示。普通炮桿和帶整流管炮桿的結構如圖2所示。

圖1 噴嘴整體結構圖

圖2 炮桿結構圖

圓管中的層流可視為許多無限薄的同心圓筒層;整流管就是許多金屬薄壁管點焊在一起的筒層。

2 仿真建模

2.1 網格劃分

使用Fluent前置處理軟件gambit建立整流管噴嘴的內外部流場的3D模型，噴嘴外部流場長700 mm，如圖3所示。以噴嘴右邊端面中心為原點，Z軸正方向為流體射入方向。

圖3 噴嘴網格模型

2.2 邊界條件設置

仿真采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型。

1)噴嘴介質為普通自來水，密度為998 kg/m3，粘度1.003×10-3Pas。空氣密度1.225 kg/m3，粘度1.789×10-5Pas;

2)入口邊界條件為壓力入口邊界，出口邊界條件為壓力出口邊界，0 MPa(即大氣壓);

3)湍流參數選擇為湍流強度和水力直徑。其中湍流強度可以用下面的公式來估算:

I=0.16(ReDH)-1/8

式中，Re是雷諾系數，下標DH是水力直徑，它等于4倍的流通面積比上濕潤周長;

4)固體壁面無滑移，射流速度垂直于入口。

3 結果與分析

3.1 整流管數量對噴嘴射流的影響

選取整流管數量分別為9根和12根的炮桿噴嘴與普通炮桿連接的噴嘴進行對比。整流管長度為300 mm，進口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓;計算結果如圖4所示。

圖4 整流管數量對速度的影響

由圖4可知，流體經收縮段后速度急劇增加，流體離開噴嘴后，隨著流體距出口距離的增加，流體在軸線上速度開始緩慢減小。整流管炮桿對流體速度有較大增大，其中12根整流管炮桿噴嘴的射流速度最大，普通炮桿噴嘴的速度最小。表1為普通炮桿噴嘴和整流管炮桿噴嘴在噴嘴出口和距離噴嘴出口700 mm處軸心速度的對比。

表1 軸心線上速度對比

由表1可知，由于整流管的整流作用，減小了流體的能量損失，使流體速度減小變緩:12根整流管噴嘴流體的速度減小率為1.94%，而普通炮桿噴嘴的射流速度減小率為3.15%。

圖5為不同數量整流管噴嘴的軸心線上湍流強度曲線。加入12根整流管的炮桿流體從噴嘴入口端開始湍流強度有明顯的下降，整流效果明顯，9根整流管炮桿的噴嘴在噴嘴出口300 mm～700 mm處整流效果較好，而700 mm后12根整流管炮桿噴嘴的整流效果較好。

由圖6可知，整流管炮桿噴嘴能增加流體動壓，整流管數量越多，射流動壓越大。其中12根整流管噴嘴流體的動壓較大，水射流射程更遠。

圖5 整流管數量對湍流度的影響

圖6 整流管數量對動壓的影響

圖7 整流管長度對速度的影響

3.2 整流管長度對噴嘴射流的影響

由3.1可知，整流管對流體有較好的整流作用，增大了流體速度并且增加了射程。保持進口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓，整流管數取12根，炮桿前端長度不變，對整流管長度分別取200 mm、250 mm、300 mm和350 mm。圖7為不同整流管長度炮桿噴嘴的速度分布圖。

表2 不同整流管長度的速度對比

由表2可以看出，當整流管長度不同時，在軸心方向噴嘴出口和距離噴嘴出口700 mm處速度差別較小，其中300 mm長時速度略大。

由圖8可以看出，不同長度整流管炮桿的噴嘴軸心線上湍流強度隨著長度的增加而減小，若要降低射流的湍流度，可以在設備尺寸允許的情況下適當增長整流管長度。

圖8 整流管長度對湍流度的影響

由圖9可知，水射流流體的動壓基本一致，其中300 mm長時動壓較大，表明整流管的長度對水射流的影響較小。

圖9 整流管長度對湍流度的影響

3.3 整流管形狀對噴嘴射流的影響

保持進口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓，整流管數量12根，取整流管長度為實際應用中的300 mm，對整流管形狀分別取圓柱體和六面體。圖10為不同形狀整流管炮桿噴嘴的速度分布。

圖10 整流管形狀對速度的影響

圖11 整流管形狀對湍流度的影響

圖12 整流管形狀對動壓的影響

由圖10可知，圓柱體形狀的整流管炮桿的噴嘴射流速度更大。

由圖11可知，流體在噴嘴內湍流度變化不大，但是在噴嘴出口處六面體形狀的整流管炮桿噴嘴湍流度增大較快，在噴嘴出口700 mm處兩種噴嘴的流體湍流度基本一致。

由圖12可知，圓柱體形狀的整流管炮桿的噴嘴動壓更大，流體射程更遠。

4 結論

1)整流管炮桿的噴嘴具有提高軸心線上流體速度、減小流體湍流強度的效果，從而提高有效射程。

2)炮桿中整流管長度對噴嘴軸心線上速度和動壓影響較小，但對噴嘴軸心線上湍流強度影響較明顯，長度越長整流效果越好。

3)炮桿中整流管的形狀對流體的速度、湍流度和動壓均有較小影響，其中圓柱體形狀的整流管炮桿射流效果較好。

4)對于討論的噴嘴，整流管數量為12根，長度為300 mm，整流管形狀為圓柱體時整流效果最好。

［1］ 尹久紅，劉桓龍，秦劍，等.低壓空化射流噴嘴進氣結構研究［J］.液壓與氣動，2012(11):38-41

［2］ 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，2004

［3］ 宋秋紅，夏泰淳，王世明，等.工程流體力學［M］.上海交通大學出版社，2012

［4］ 唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2013，4

［5］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004

［6］ 聞德蓀，黃正華，高海鷹等.工程流體力學［M］.北京:高等教育出版社，2010