扇形噴嘴的低壓射流特性研究

林翔，劉桓龍，王國志，柯堅，于蘭英

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 前言

近年來，水射流清洗技術在各個行業應用越來越廣泛。噴嘴作為水射流的關鍵部件，其作用效果直接影響清洗效果。噴嘴按形狀分為圓柱形噴嘴、扇形噴嘴和異型噴嘴。扇形噴嘴具有打擊力大、簡單實用、噴射均勻等優點。國內外學者大多研究收縮－擴張型的圓柱形噴嘴，但是對非軸對稱的扇形噴嘴研究還較少，特別是扇形噴嘴的內外流場特性研究。

文中通過改變扇形噴嘴的幾何參數，利用FLUENT的可視化數值模擬功能來研究扇形噴嘴內外流場，優化扇形噴嘴結構，為扇形噴嘴的設計選擇提供了參考。

1 噴嘴結構

扇形噴嘴的內表面通常為半橢圓面或半球面，半球面為半橢圓面的特例。噴嘴頂端有一個V型槽，V型槽兩個斜面關于扇形噴嘴軸線對稱，半球面經V形切槽切削后，在扇形噴嘴頭部形成橢圓形噴嘴出口，射流為扁平扇形。半球面扇形噴嘴結構如圖1所示。

如圖1所示，D為射流入口直徑，d為噴嘴入射斷面直徑，b為切槽相對偏移量，a為V形槽角度的一半，H為入口圓柱段長度，h為收縮段長度，L為入射圓柱段長度。

圖1 扇形噴嘴結構示意圖

文中主要對不同結構參數扇形噴嘴的內外部流場進行研究，分析關鍵結構參數對射流性能的影響，有助于為清洗設備選擇合適的噴嘴規格。所研究的扇形噴嘴參數為:D=10 mm，d=4 mm，H=10 mm，h=4 mm，L=3 mm。

2 仿真建模

2.1 網格劃分

使用Fluent前置處理軟件Gambit建立扇形噴嘴的內外部流場的3D模型，噴嘴外部流場長200 mm，如圖2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2 扇形噴嘴網格模型

為了提高仿真精度，使用六面體網格與四面體網格劃分相結合的方式劃分網格，并對圓柱段的網格進行加密處理。

2.2 邊界條件設置

扇形噴嘴內外部流場涉及到氣體和液體的混合二相流，所以仿真采用VOF多相流模型和RNGκ－ε湍流模型。

(1)扇形噴嘴使用消防水，密度為998 kg/m3，黏度為0.001 003 Pa·s，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10－5Pa·s。

(2)入口邊界條件為壓力入口邊界，入口壓力為1.5 MPa;出口邊界條件為壓力出口邊界，0 MPa。

(3)湍流參數選擇為湍流強度和水利直徑。(4)避免光滑無滑移，水入射方向垂直于入口。(5)將外流場盡頭設置為壁面，使流體沖擊壁面仿真出打擊力。

3 結果與分析

3.1 切槽角度的影響

圖3為切槽角度為116°，110°和104°的扇形噴嘴z軸方向速度曲線圖。

圖3 扇形噴嘴z軸方向速度圖

由圖3可知，3個噴嘴速度變化趨勢都大致相同:射流速度在噴嘴收縮段時隨著截面變小實現第一次加速，在拐角時達到局部最大值;圓柱段時持續加速，在噴嘴噴頭時隨截面收縮實現第二次加速，達到最大值;在流體離開噴嘴后空化，隨著流體距出口距離的增加，流體速度緩慢降低;在流體沖擊到壁面時，速度急速減小為0。在流體出噴嘴后，隨著切槽角度的增加，噴嘴速度衰減慢。

圖4為切槽角度為116°，110°，104°扇形噴嘴的速度云圖。

圖4 速度云圖

由圖4可知，V形切槽角度變化時，最大速度變化較小，隨切槽角度增大慢慢減小，切槽角度為116°，110°和104°時扇形噴嘴所對應最大速度為49.35 m/s，49.58 m/s和49.64 m/s，最大速度在慢慢增大。但是可以看到隨著切槽角度的變大，流體覆蓋的區域變小，打擊范圍越來越小，能清洗的范圍變小。

表1為V形切槽角度分別為116°，110°和104°時扇形噴嘴的打擊力和流量。

表1 不同V形切槽時的打擊力和流量

可以看出隨著切槽角度的增大，打擊力隨之變大;流量也隨之增大，清洗能力增加。

圖5為切槽角度為116°，110°，104°扇形噴嘴內外流場的含水量云圖。

圖5 含水量云圖

由圖5可以看出，扇形面上z軸上含水量要比二側低。通過比較可知，切槽角度會影響散射角，切槽角度越大，流體散射角越小，能夠清洗的范圍越小。

圖6為切槽角度為116°，110°，104°的扇形噴嘴z軸方向含水量曲線圖。

圖6 扇形噴嘴z軸方向含水量

由圖6可以看出流體出噴嘴后，急速空化，含水量直線下降，然后在外流場中含水量進一步降低。并且通過對比可知，隨著切槽角度的增加，z軸方向上水體積分數增大，空化效果降低。

3.2 切槽相對偏移量的影響

仿真得出切槽相對偏移量為0，0.3 mm，0.6 mm的扇形噴嘴所對應的最大速度分別為49.35 m/s，50.43 m/s和51.43 m/s。所以，隨著球面中心到V形槽底部的長度的增加，外流場最大速度增加。

圖7為切槽相對偏移量為0，0.3 mm，0.6 mm的扇形噴嘴的速度曲線圖。

圖7 扇形噴嘴z軸方向速度圖

由圖7可知，切槽相對偏移量越大的噴嘴，在噴嘴收縮段獲得速度越小，但是在噴嘴出口所達到的速度越大，隨著流體距出口距離的增加，速度衰減得也越快。

表2為切槽相對偏移量為0，0.3 mm，0.6 mm的扇形噴嘴時的打擊力和流量。

表2 不同切槽相對偏移量b時的打擊力和流量

由表2得，隨著切槽相對偏移量的增加，打擊力變小，流量越來越少，清洗能力降低。

圖8是切槽相對偏移量為0，0.3 mm，0.6 mm的扇形噴嘴含水量云圖。

圖8 含水量云圖

由圖8可得:隨著切槽相對偏移量的增加，流體散射角基本不變，但是含水量降低，扇形面上z軸上含水量要比二側低。

圖9為切槽相對偏移量為0，0.3 mm，0.6 mm的扇形噴嘴水的體積分數曲線圖。

圖9 扇形噴嘴z軸方向水的體積分數

由圖9可看出，隨著切槽相對偏移量的增加，流體在出噴嘴出口時含水量越低，z軸方向上的水體積分數減小，空化效果增加。

4 結論

(1)在同等條件下，隨著V形切槽角度的增加，外流場最大速度減小，速度在外流場中衰減慢，流量增加，打擊力也隨之增加，但是空化效果降低，z軸方向含水量增加，清洗能力增加。

(2)在同等條件下，隨著切槽相對偏移量的增加，外流場最大速度變大，但是速度衰減快，流量減小，打擊力減小，空化效果增加，z軸方向含水量減小，清洗能力降低。

(3)切槽角度會影響散射角，切槽角度越大，流體散射角越小，水覆蓋的區域越小，能夠清洗的范圍越小。

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