高壓水射流清洗設備異形噴嘴內部流場的性能研究

劉軍，呂海霆，王琳

(大連科技學院 機械工程系，遼寧 大連 116052)

高壓水射流清洗設備異形噴嘴內部流場的性能研究

劉軍，呂海霆，王琳

(大連科技學院 機械工程系，遼寧 大連 116052)

噴嘴是高壓水射流清洗設備終端的重要執行元件，針對圓錐形和棱錐形兩種不同結構形式的噴嘴，利用流體力學的計算方法對其高壓水射流流場的壓力、軸向速度、及孔口出口處的湍流動能進行了數值模擬分析，并對兩種噴嘴進行了比較。結果表明，雖然棱錐形噴嘴具有較好的聚集流束的作用，但在同樣流量的情況下，其內部流場的壓力變化梯度較大，出口速度遠大于圓錐形噴嘴，且出口湍流動能較大，流動穩定性弱于圓錐形噴嘴。

高壓水射流；清洗設備；異形噴嘴；射流流場

0 前言

高壓水射流技術是近年來發展十分迅猛的一門新興技術，是利用高壓水發生設備產生高壓水，通過噴嘴將壓力轉變為高度聚集的水射流動，能完成清洗、切割、破碎等各種工藝的技術[1]。由于高壓水射流清洗技術具有不同于傳統清洗方法的諸多優點，如清潔率高、清洗速度快、清洗成本低、不損壞被清洗物體、無環境污染等，在歐美一些工業發達國家已成為主流清洗技術，我國現正處于起步階段。射流結構是射流設備工作效率及其損耗程度的決定性因素，噴嘴的形狀對射流結構具有顯著的影響。國內外專業人士針對噴嘴形狀展開了廣泛的探討和研究，圓柱形噴嘴由于工藝簡單而長期占領著噴嘴市場，而收斂型的錐形出口及傾斜的出口端面更有助于增強射流的集束性，正逐漸被采用，尤其是用于高壓水射流切割技術。甚至考慮到噴嘴性能的最優化，目前錐直形噴嘴的應用范圍也在加大。

1 噴嘴的結構簡介

噴嘴是高壓水射流清洗設備終端的執行元件，其作用是通過噴嘴內部橫截面的收縮形狀，將高壓水的壓力轉化為動能，以高速水射流的形式噴出，從而完成對物體表面的清洗目的。可見，噴嘴的內部結構非常重要，其形狀決定了出口速度、清洗靶距、以及對被清洗物體表面的水射流打擊力[2]。可以說，噴嘴的內部結構在很大程度上直接影響著清洗效果。目前，傳統的圓錐形噴嘴結構由于其具有良好的聚集能量和射流的特點，從而可獲得較大的射流打擊力，同時圓錐形結構易于制造出表面高品質的噴嘴，因此長期占領了水射流清洗設備市場。美國Aqua-Dyne公司已經研制出了各種類型的異形噴嘴，異形噴嘴以具有銳邊的平面防止空氣卷裹射流，因此，在較大靶距下能提高水射流的集束性能，且具有優越的工作效率，其中的正三角形噴嘴正以其獨有的特點占有噴嘴市場的一定份額[3]。

2 異形噴嘴的模型

為了充分利用圓錐形噴嘴與正三角形異形噴嘴的優勢，文中采用了棱錐形噴嘴作為分析對象，與傳統的圓錐形噴嘴的幾何模型選定為如下參數：噴嘴的長度取為l=30mm、收縮角為40°[4]，出口直徑取長靶距清洗距離常用的d=10mm。為了便于二者進行性能對比，設定二者的水流壓力、進出口當量橫截面面積均相同，所選定的進口當量直徑為D=20mm，出口當量直徑為d=10mm[5]，棱錐形噴嘴的進出口邊長分別為27mm和13.5mm，為使研究問題進一步簡化，對模型做了簡單處理。根據流體動力學建模方法，建立了如圖1所示的兩種噴嘴的仿真模型。

圖1 噴嘴的仿真模型

假定流體是連續不可壓縮的理想流體，且進入噴嘴的速度是均勻的，屬于非淹沒連續射流。通過雷諾數的計算判斷，棱錐形噴嘴與圓錐形噴嘴的雷諾數遠遠大于各自的臨界雷諾數，可知兩種噴嘴均為湍流模型，分子之間的黏性可以忽略[6]。由于射流場處于高湍流狀態，因此采用標準的k-ε雙方程模型進行數值模擬，湍流動能方程k和擴散方程ε為：

其中：

式中：μi——— 湍流粘度；

Gk——— 由平均速度梯度引起的湍動能的產生項；

YM——— 可壓湍流中脈動擴張的貢獻 ；

Mt——— 湍動Mach數；

a——— 聲速。

為了分析噴嘴的軸向壓力、軸向速度和出口方向的湍流流動性能，考慮到兩種噴嘴的幾何特征，所以棱錐形噴嘴的湍流模型采用三維求解器，圓錐形噴嘴采用二維求解器，二者求解器均采用壓力速度耦合算法。其中，經驗常數取值為：C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍流普朗特數取值為σk=1.0，σε=1.3。

設定噴嘴入口(Edge1) 邊界條件為壓力入口條件 (pressure inlet)，壓力值為 5 MPa；設定噴管壁面為無滑移絕熱壁面；設定 (Edge4) 邊界條件為壓力出口條件 (pressure outlet)，操作壓力為101 325 Pa，不計重力影響，離散格式采用二階迎風格式[7]。

3 射流流場的仿真分析

3.1 軸向壓力分析

兩種噴嘴的軸向壓力云圖和壓力曲線圖如圖2、圖3所示，從圖中可以看出，噴嘴橫截面形狀的敏感度對進出口壓降的影響很大，棱錐形噴嘴的壓降比較突兀，尤其是入口棱尖角處有較大面積區域的壓力數值達到最大值，而圓錐形噴嘴入口邊緣處壓力數值較大的區域面積非常小，整個內部流場壓降相對平緩一些。

圖2 軸向壓力云圖

圖3 軸向壓力曲線圖

3.2 軸向速度分析

兩種噴嘴的軸向速度云圖和曲線圖如圖4、圖5所示，棱錐形噴嘴的入口速度比圓錐形噴嘴的低很多，相差數值為26m/s，出口速度與圓錐形噴嘴比較接近，相差數值為1m/s。在橫剖面上高低位置不同速度不同，呈現多樣化。速度在噴嘴長度的中間位置才開始快速增高。而圓錐形噴嘴內的軸向速度呈現平緩的梯度變化，在橫剖面上高低位置不同速度比較接近，速度數值呈對稱性[8]。

圖4 軸向速度云圖

圖5 軸向速度曲線圖

3.3 出口湍流動能分析

兩個噴嘴的出口湍流動能如圖6所示。棱錐形噴嘴的湍流動能增加區域集中于三角形橫剖面的幾何中心區域，且從距入口10mm集中于棱邊處才開始，臨近出口10mm的一段距離內，具有比圓錐形噴嘴大得多的湍流動能，尤其是三個棱邊處達到了最大的湍流動能，相差數值為5.5m2/s2。圓錐形噴嘴的湍流動能增加區域集中于圓形橫剖面的中心區域，且從入口邊緣即開始，呈現拋物線形變化，從進口到出口內的湍流動能呈現平緩遞增的梯度變化，說明噴嘴橫截面形狀的敏感度對出口湍流動能的影響很大。

圖6 出口湍流動能云圖

4 結語

將高壓水射流清洗設備中的棱錐形噴嘴和傳統的圓錐形噴嘴所產生的內部射流流場進行了模擬計算和分析，為異形噴嘴的應用和研究提供一定的參考依據。

1) 軸向壓力：在入口壓力相同的條件下，雖然入口壓力相同，但是由于內部結構的不同，導致兩者出現的壓力變化梯度不同。棱錐形噴嘴內部流場的壓力變化梯度較大，而圓錐形噴嘴的變化比較平穩，說明噴嘴橫截面形狀的敏感度對進出口壓降的影響很大。

2) 軸向速度：隨著入口壓力的增加，棱錐形噴嘴的入口速度比圓錐形噴嘴的低很多，出口速度與圓錐形噴嘴比較接近。

3) 噴嘴出口湍流動能：棱錐形噴嘴臨近出口處，具有比圓錐形噴嘴大得多的湍流動能，尤其是三個棱邊處達到了最大的湍流動能，意味著前者的流動穩定性更弱一些，而后者的流動穩定性更好一些。

[1] 盧曉江，何迎春，賴維. 高壓水射流清洗技術及應用[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

[2] 楊敏官，肖勝男，康燦. 出口形狀對中心體噴嘴射流性能的影響[J]. 流體機械，2011，(5):13-19.

[3] 左海寧，白璐，周家日，等. 異形噴嘴內部流場的可視化研究[J]. 湖南工業大學學報，2013，(1):43-47.

[4] 趙偉民，馮欣華，胡長勝. 不同收縮角對噴嘴性能影響的數值模擬[J]. 礦山機械，2007，(5):112-114.

[5] 黃中華，謝雅. 圓錐形噴嘴結構參數設計研究[J]. 機械設計，2011,(12)：62-65.

[6] 楊國來，周文會，劉肥. 基于FLUENT的高壓水射流噴嘴的流場仿真[J]. 蘭州理工大學學報，2008，(4):49-52.

[7] 楊國來，李秀華，周文會，等. 圓錐形噴嘴內部結構參數對射流流場的影響[J]. 液壓與氣動，2009，(5):62-64.

[8] 王科社，海龍，顧瑞龍. 高壓水射流噴嘴特性研究[J]. 液壓與氣動，2007，(6)：76-78.

Performance of Internal Flow Field of Shaped Nozzle with theHigh-pressure Water Jet Cleaning Equipment

LIU Jun, LV Haiting, WANG Lin

(Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052, China)

Nozzle is important actuator in the terminal of pressure water jet cleaning equipment. For the nozzles with cone and pyramid-shaped structures, this paper uses computational fluid dynamics method to conduct numerical simulation analysis of two nozzles’ pressure, axial velocity and turbulent energy at the exit in the high-pressure water jet flow field. The results show that although the pyramidal nozzle is brought into good effect in the aggregation of the stream, in the case of the same flow, its pressure gradient inside flow field is larger and the exit velocity is much larger than the conical nozzle. The exit turbulent energy is larger and the flow stability is weaker than that of the conical nozzle.

high pressure water jet; cleaning equipment; shaped nozzle; jet flow field

劉軍(1969-),女，遼寧大連人，副教授，碩士，主要從事機械優化設計及機械CAD方面的科研和教學工作。

TH123

A

1671-5276(2015)05-0065-03

2014-12-26