自帶整流片的噴嘴結構研究

2015-04-27 02:46:30朱博垚于蘭英劉桓龍鄧斌柯堅

機床與液壓 2015年16期

朱博垚，于蘭英，劉桓龍，鄧斌，柯堅

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

利用壓力水柱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。電氣化鐵道絕緣子帶電水沖洗裝備利用列車運行間隙實現帶電沖洗作業，極大地提高了工作效率，大幅減低了勞動強度。該裝備中，噴嘴的結構和加工精度直接決定了沖洗效果。噴嘴射流要求水柱核心段長，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。

文中以水沖洗裝備用8 mm 噴嘴為對象，研究在噴嘴出口直線段增設整流片對射流效果的影響。

1 噴嘴結構

整流片噴嘴結構在普通圓錐收斂型噴嘴的出水直段中加設整流片，結構如圖1 所示。整流片的分布與結構如圖2 所示。

圖1 自帶整流片的噴嘴結構

圖2 整流片的分布結構

2 仿真建模

2.1 網格劃分

使用FLUENT 前置處理軟件Gambit 建立整流片噴嘴內外部流場的3D 模型，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 噴嘴流場模型

2.2 邊界條件設置

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

(1) 射流介質為普通自來水，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) 采用壓力邊界條件，入口壓力設為1 MPa，出口壓力設為0;

(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:

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 整流片數量對噴嘴射流的影響

圖4 不同整流片數的噴嘴速度分布圖

整流片數量分別取3、4、5。取外流場長度1 000 mm，計算結果見圖4。

由圖4 可知: 流體經過收縮段后速度急劇增加，接近外流場出口壁時速度急劇下降至0。表1 為不同整流片數在噴嘴出口和距離噴嘴出口1 000 mm 處軸心速度的對比。

表1 不同整流片數的速度對比

由表1 可知: 隨著整流片數的增加，出口段面積減小，在噴嘴出口處流體的速度也隨之增加; 在距噴嘴出口1 000 mm 處，由于整流片的整流作用，減小了流體的能量損失，使流體速度減小變緩，但并不是整流片片數越多整流效果越好，其中速度減小率最低為4 片整流片的噴嘴，為2.39%，最高為3 片整流片的噴嘴，為3.81%。

圖5 為不同數目的整流片噴嘴軸心線上的湍流強度。加入整流片后，在噴嘴出口段流體的湍流強度較低壓圓錐收斂型噴嘴的湍流強度有了明顯降低。隨著整流片數目的增加，4 片整流片噴嘴的流體湍流強度最低，整流效果最好，水柱更集中，明顯優于3 片整流片噴嘴和5 片整流片噴嘴。

由圖6 可知: 4 片整流片噴嘴的動壓最大，但3、5 片整流片噴嘴與原噴嘴相比動壓較小。由表2 可知: 4 片整流片噴嘴流體壓力值最大，射程最遠。