三維旋轉噴射槍噴嘴結構的優化

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(1.太原理工大學 化學化工學院， 山西 太原　030024; 2.廣東石油化工學院 機電工程學院， 廣東 茂名　525000)

引言

噴嘴作為噴射槍結構清洗機的直接執行部件，它將水流的壓力能轉換成高度密集的水射流，進而完成清洗油罐的目的。實驗已經證實：研究出性能良好、材料適宜又與主機匹配的的噴嘴，將極大地提高射流的效率[1]。在標準k-ε方程模型上，運用CFD軟件對不同結構的噴射槍噴嘴水射流流場進行數值模擬分析，通過綜合比較軸心速度和橫向速度的大小以及變化趨勢，進而得出最優的噴嘴結構。

1　流體介質的選擇

基于同種介質具有很好的可比性，且出于水射流清洗的工況考慮，選擇了最常用的水介質作為被研究的流體介質。其基本的物理參數如表1所示。

2　噴嘴流場計算區域的建模和分析

首先，通過GAMBIT軟件對噴嘴結構和外部流場進行建模，然后進行網格劃分，邊界定義，并輸出用于求解器FLUENT5/6計算的格式；通過FLUENT5/6求解器對流動區域進行求解計算，并進行計算結果的后處理。

表1　水的基本物理參數

2.1　物理模型以及邊界參數設置

由于噴嘴的壓力、流量和出口直徑是相互關聯的，因此，只要給出其中任意的兩個量，第三個量就會得出。在工程實際應用中，壓力和流量通常是已知的，因此只要根據公式(1)，代入相關數據就可得到直徑的大小。所設計的噴嘴結構如圖1所示。噴嘴的主要結構參數有：出口直徑d，收縮角α，圓柱段長度l和出口直徑d的比值，即長徑比l/d。

圖1　噴嘴的結構

噴嘴直徑的計算公式如式(1)[2,3]：

(1)

流體以一定的壓力從入口直徑處進入，經過收縮段加速、圓柱段整流，以一定的速度從出口處噴射到周圍靜止的空氣介質中，形成非淹沒水射流。計算區域為噴嘴內部流場和射流外部流場，考慮到計算流場區域為對稱結構，因此只截取了結構的一半，如圖2所示。

2.2　射流的數學模型

射流在噴嘴外部的流動狀態為復雜的湍流流動，因此采用標準k-ε雙方程湍流模型建立封閉的控制方程組[4-7]。標準k-ε方程模型的湍動能k和耗散率ε方程可簡化如下：

(2)

式中：Gk為由于平均速度梯度而引起的湍動能。

在FLUENT中，作為默認常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92[8]，湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數分別為：σk=1.0，σε=1.3[7]。

3　體仿真結果及其分析

3.1　圓柱形噴嘴收縮角對射流流場的影響

該模擬方案的噴嘴結構的基本參數為：入口壓力為0.6 MPa，出口壓力為0.1 MPa，噴嘴的入口直徑為58 mm，噴嘴的出口直徑為28 mm，進口段的長度為145 mm，長徑比l/d為1.0。收縮角α分別為12°、16°、20°、30°、60°，收縮段的長度隨著收縮角的變化而變化，將2者之間的關系繪制成表格，如表2所示。

表2　收縮角和收縮段長度的關系

3.2　軸心速度的分析

1) 收縮段長度與軸心速度的關系

數據壓縮技術雖然能減少數據量和提高存儲效率，但同時也加重了計算結點的數據處理負擔。考慮到存儲空間和數據的性質，針對不同的數據采取不同的存儲方式。核心業務數據依舊采用傳統的并行數據倉庫進行存儲；時效性要求高的數據則采用實時數據庫或內存數據庫；對大量的累積數據和無結構數據則采用分布式文件系統。

收縮段的長度隨著收縮角的增大而減小，且收縮段是流體速度加速的階段，因此有必要做出不同收縮角下，收縮段位置與收縮段軸心速度的關系圖，根據仿真分析計算和結果輸出，將相應的數據繪制成如圖3所示。

圖3　不同收縮角的收縮段長度與軸心速度的關系圖

從圖3中可以總結出：收縮角越大，速度梯度越大；即：在相同的收縮段位置處，收縮角越大，軸心速度就越大；整個收縮段，軸心速度都是在不斷地增大。在剛進入收縮段時，收縮角越大，進口速度越大。在收縮斷面最小直徑處，收縮角越小，軸心速度越大。

2) 收縮角與出口速度度關系

在仿真計算過程中，不同收縮角與噴嘴出口速度的關系見表3。從上述的表格可以看出：不同收縮角α的噴嘴的出口速度都保持在34.6 m/s上下，即：仿真結果與理論計算值d=44.72p1/2[9]=34.6 m/s非常吻合。

表3　收縮角與出口速度的關系

3) 收縮角與外部流場軸心速度的關系

為了計算結果的準確性，確定了噴嘴的入口、出口直徑、長徑比等幾個參數，但是從表3知噴嘴的收縮段隨著收縮角的變化而變化，因此噴嘴的長度始終在變化，故：截取了不同收縮角噴嘴外部流場共有的區間段(0.3～1.0 m)進行數據的分析比較，從圖4可以看出：收縮角α=12°～16°的噴嘴在射程0.3～0.5 m內，軸心速度大小基本保持在34.6 m/s，射流具有好的集束性。α=20°～30°的噴嘴在射程0.3～0.4 m的區間內，軸心速度也保持不變，大小為34.3 m/s，該段射流具有較高的集束性。α=30°～60°的噴嘴在0.3～0.4 m內，速度衰減較緩慢。隨著射程的增大，收縮角α越大，噴嘴的軸心速度衰減速率也越快。在相同的射程處，收縮角α越小的噴嘴，具有越高的軸心速度。從射程遠且打擊力大的角度出發，經模擬仿真研究與分析，噴嘴的收縮角α在12°～30°具有較好的軸心速度場。

圖4　射流的軸心速度衰減曲線

圖5為與噴嘴中心軸線垂直的出口邊界(x=1.0 m 處)的橫向速度分布。發現不同收縮角α的流速分布呈現處相似性性質，軸線上流速最大，距軸線越遠，流速越小，但是在0.106～0.218 m的區間內，不同收縮角α的最低速度均又有所回升，這是因為水射流受到外部空氣流場的影響。收縮角α=12°～16°的噴嘴在區間0～0.106內，速度衰減較快，而收縮角α=20°～60°的噴嘴在區間0～0.106內，速度衰減較緩慢。從清洗面積的角度出發，經模擬仿真分析，噴嘴的收縮角α在20°～60°有較大的清洗面積。

圖5　不同收縮角的噴嘴x=1.0 m處的橫向速度分布

綜上分析與總結可知：收縮角α=12°～30°有較好的軸心速度分布，即：較遠的射程和較大的打擊力；收縮角α=20°～60°有較大的橫向速度分布，即：較大的清洗面積。出于射程、打擊力和清洗面積三方面綜合考慮，噴嘴性能最佳的收縮角α在20°～30°區間段內。

3.3　圓柱形噴嘴長徑比對射流流場的影響

圖6是相同射程處，不同長徑比的噴嘴的軸心速度分布圖。從圖中可以看出：長徑比l/d=1.0～3.0的噴嘴在區間0.3～0.4 m內，速度保持在34.6 m/s；在區間0.4～0.5 m內，l/d=3.0的噴嘴仍保持34.6 m/s 的高速；l/d=2.0的噴嘴速度開始衰減，但是衰減較緩慢；l/d=1.0的噴嘴速度衰減速率較快；即：長徑比越大，射流的高速區越大。隨著射程的增大，長徑比越小，速度衰減的速率越快；在相同的射程處，長徑比越大，射流的軸心速度越大。當x=0.6 m，l/d=1.0，v1=28.6 m/s；l/d=2.0，v2=30.0 m/s；l/d=3，v3=31.3 m/s。通過仿真分析知：長徑比在2.0～3.0的區間段內，射流具有較好的軸心速度流場分布。

圖6　不同長徑比的噴嘴的軸心速度分布曲線

圖7為不同長徑比的噴嘴x=1.0m處的橫向速度分布，從圖中可以看出：不同長徑比l/d的噴嘴的流速分布呈現處相似性性質，軸線上流速最大，距軸線越遠，流速越小。不同長徑比的噴嘴，其橫向速度的大小、變化趨勢基本保持一致；也就是說，不同長徑比的噴嘴，對射流的橫向速度影響很小。

圖7　不同長徑比的噴嘴x=1.0 m處的橫向速度分布

綜合分析可知：長徑比l/d在2.0～3.0的區間內，具有最佳的噴射性能。

4　結論

(1) 收縮角對軸心速度的影響：收縮角越小，射流的高速區越大。隨著射程的增大，收縮角α越大，噴嘴的軸心速度衰減速率也越快。在相同的射程處，收縮角α越小的噴嘴，具有越高的軸心速度。從射程遠且打擊力大的角度出發，經模擬仿真研究與分析，噴嘴的收縮角α在12°～30°具有較好的軸心速度場；

(2) 收縮角對橫向速度的影響：不同收縮角α的流速分布呈現處相似性性質，軸線上流速最大，距軸線越遠，流速越小，但是在0.106～0.218 m的區間內，不同收縮角α的最低速度均又有所回升，這是因為水射流受到外部空氣流場的影響。收縮角α=12°～16°的噴嘴在區間0～0.106內，速度衰減較快，而收縮角α=20°～60° 的噴嘴在區間0～0.106內，速度衰減較緩慢。從清洗面積的角度出發，經模擬仿真分析，噴嘴的收縮角α在20°～60°有較大的清洗面積；

(3) 長徑比對軸心速度的影響：長徑比越大，射流的高速區越大。隨著射程的增大，長徑比越小，速度衰減的速率越快。在相同的射程處，長徑比越大，射流的軸心速度越大。通過仿真分析知：長徑比在2.0～3.0的區間段內，射流具有較好的軸心速度流場分布；

(4) 長徑比對橫向速度的影響：不同長徑比l/d的噴嘴的流速分布呈現處相似性性質，軸線上流速最大，距軸線越遠，流速越小。但是，不同長徑比的噴嘴，對射流的橫向速度影響很小；

(5) 從射程遠、打擊力大和清洗面積大的角度出發，收縮角α在20°～30°區間段內、長徑比l/d在2.0～3.0區間段內，噴嘴具有最佳的噴射性能。

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