新型后混合磨料水射流噴嘴流場數值模擬研究

2018-07-10 11:40:10陳曉晨鄧松圣張滕飛管金發

天然氣與石油 2018年3期

陳曉晨　鄧松圣　張滕飛　管金發

中國人民解放軍陸軍勤務學院油料系,　重慶　401331

0　前言

磨料水射流作為一種新型加工技術,能夠加工各種金屬和非金屬材料[1]。由于切割過程中存在大量水,因此切割時不會出現較高的溫度,材料切割的熱損傷和熱影響區域較小[2-4],使得該技術能夠應用于油氣管道泄漏搶修領域[5-7]。

噴嘴作為重要的磨料水射流發生裝置,其結構和性能直接影響磨料水射流的加工效果。常用的磨料水射流噴嘴分為前混合磨料水射流噴嘴和后混合磨料水射流噴嘴。前混合磨料水射流噴嘴結構簡單,內部流動僅包括固液兩相,流場特性相對較平穩[8],針對前混合磨料水射流噴嘴內部流動特性的研究較多[9-11]。而后混合磨料水射流噴嘴的結構相對復雜,內部存在固液氣三相混合流場,噴嘴內部的流動速度差異更大,湍動能更復雜[12-13]。因此,后混合磨料水射流噴嘴內部流場特性的研究難度較大。目前,對磨料水射流加工機理以及其流動特性規律的研究仍不夠徹底[14-15]。

本文以一種新型后混合磨料水射流噴嘴內的多相流動特性為研究對象,采用數值模擬方法分析噴嘴內部多相流場特性,以及新型后混合磨料水射流噴嘴結構對于噴嘴流場特性的影響。

1　噴嘴模型的建立

1.1　物理模型

典型的后混合磨料水射流噴嘴結構較簡單[16],高壓水經過水噴嘴部件進入混合腔,造成混合腔內的負壓效應,吸入磨料和空氣,混合后形成多相射流。傳統后混合磨料水射流噴嘴見圖1。

圖1　傳統后混合磨料水射流噴嘴

傳統后混合磨料水射流噴嘴只有單個磨料噴嘴入口,在應用時頻繁出現磨料輸送管堵塞現象。這是因為水開關關閉時,水從噴嘴內涌入到磨料輸送管;另一方面,磨料的單側涌入不利于磨料和水的均勻混合。

本文研究的新型后混合磨料水射流噴嘴具有4個環繞對稱的磨料入口,結構見圖2。水開關關閉時,4個磨料輸送管路能夠均擔噴嘴內涌出的水,每個磨料輸送管內水的涌入量明顯減少,降低了磨料輸送管擁堵的可能。此外,磨料的供給在空間上更加均勻。

圖2　新型后混合磨料水射流噴嘴

1.2　幾何尺寸及網格劃分

與傳統后混合磨料水射流噴嘴結構類似,新型后混合磨料水射流噴嘴也包括水噴嘴入口、磨料入口、混合腔、收縮段和圓柱段。

新型后混合磨料水射流噴嘴具體幾何尺寸為:水噴嘴入口直徑d1=1 mm,混合腔內徑d2=6 mm,噴嘴出口圓柱段直徑d3=3 mm,磨料入口直徑d4=3 mm,水噴嘴長度L1=2 mm,混合腔長度L2=8 mm,收縮段長度L3=10 mm,圓柱段長度L4=70 mm,收縮段收縮角度θ=15°。

由于新型后混合磨料水射流噴嘴的磨料入口具有圓周對稱性,因此建立二維軸對稱結構噴嘴模型,選取噴嘴對稱結構的一半作為運算區域,以節省計算資源。收縮段復雜區域采用非結構化四邊形網格和結構化四邊形網格的混合劃分方法,其余部分采用結構化四邊形網格,網格生成結果見圖3。

圖3　網格生成結果

1.3　邊界條件及假設

模型涉及固液氣三相混合流動,數值模擬對三相的處理包含連續相和離散相,即空氣和水作為連續相采用多相流中的歐拉模型,磨料粒子作為離散相采用離散相模型[17]。計算時,首先計算氣液兩相流場,然后創建顆粒噴射源與連續相進行單向耦合計算[18-19]。

水噴嘴入口設置為速度入口條件,速度1 000 m/s；磨料入口設置為壓力入口條件,壓力設為大氣壓；新型后混合磨料水射流噴嘴出口設置為壓力出口條件,壓力設為大氣壓；對稱軸設置為Axis條件；壁面設為無滑移條件。

流場模擬采用標準k-ε模型,空氣和水采用歐拉多相流模型耦合計算,求解算法采用相間耦合SIMPLE算法。磨料顆粒采用離散相(DPM)模型,追蹤顆粒軌跡和運動規律。離散格式采用二階迎風格式,其他參數默認。計算時材料屬性設置:第一相為空氣,密度1.225 kg/m3,黏度1.789 45×10-5Pa·s;第二相為水,密度998.2 kg/m3,黏度0.001 003 Pa·s;磨料顆粒密度4 000 kg/m3。

2　數值模擬結果分析

2.1　網格獨立性檢驗

對新型后混合磨料水射流噴嘴采取不同網格劃分方案,得到不同疏密程度的網格劃分。以噴嘴收縮段入口軸心處的水壓作為判斷條件,對比不同網格劃分方案,發現網格數量4 780時可以忽略網格數量對數值模擬計算的影響。

2.2　壓強分布

混合腔內部的壓強分布情況對磨料的卷吸效率有很大影響,為探究新型后混合磨料水射流噴嘴內部混合腔內壓強分布情況,取噴嘴中心軸作為x軸,x軸正向由水噴嘴指向后混合磨料水射流噴嘴出口,取水噴嘴入口軸心位置為原點。分析x=4 mm,x=6 mm和x=8 mm位置處垂直于新型后混合磨料水射流噴嘴中心軸的橫截面上的壓力分布,結果見圖4。

圖4　混合腔內壓強沿徑向分布

由圖4可看出,混合腔內部分區域壓強小于大氣壓,且壓強值處于一個相對平穩的水平。這是因為高速水射流表層存在微小發散,對周圍空氣具有攜帶和卷吸作用,使混合腔內的氣壓低于大氣壓。位置越靠近軸心,水射流發散越弱,水的體積分數越大,壓強高于大氣壓。

對比分析圖4中3個不同位置截面的壓強分布可知,水射流自水噴嘴噴出之后,隨著射流距離的增大,射流中心處的壓強不斷減小,射流水束整體剛性降低。射流水束整體剛性的降低,有利于磨料粒子進入水束和水進行充分摻混。因此,為了使磨料更容易進入射流水束并與之混合,應盡量將磨料入口設置在混合腔的末端。

2.3　紊動能分布

流場紊動能表征了流體的紊動程度,新型后混合磨料水射流噴嘴內紊動能的大小可以反映此處速度波動的大小,也是衡量能量傳遞和相間混合程度的標準。根據數值模擬結果,15°收縮角度噴嘴內的紊動能分布見圖5。

圖5　紊動能分布

由圖5可看出,新型后混合磨料水射噴嘴混合腔內的紊動能集中分布于混合腔內水束周圍,在收縮段內分布最廣泛,少部分分布在圓柱段靠近收縮段的前端。高速水射流進入混合腔,由于空間急劇擴大,射流開始發散,水束邊緣氣液混合及能量傳遞最為劇烈,故有部分紊動能分布在射流水束周圍。發散的水射流進入收縮段,空間開始變小,遇到新型后混合磨料水射流噴嘴內壁的阻擋,與空氣等的能量傳遞和物質交換程度增加,速度等物理參數發生不規則變化,容易出現紊動現象,故紊動能在收縮段分布最廣泛。

2.4　新型后混合磨料水射流噴嘴內水的分布

新型后混合磨料水射流噴嘴內水的分布云圖及局部擴大圖見圖6。

由圖6可看出,水射流主體部分仍在軸線周圍,與空氣摻混的水的體積占很小部分,混合腔內大部分為空氣。由于空氣受水流卷吸進入圓柱段,圓柱段內空氣與水混合充分,水體積分數降低明顯。為研究圓柱段內水體積分數分布,在x=30、50、70、90 mm(出口)處得到水體積分數沿徑向分布圖,見圖7。

2.5　磨料粒子運動軌跡

a)噴嘴內水的分布云圖

b)分布云圖局部放大圖圖6　水的分布云圖及局部擴大圖

圖7　圓柱段內水體積分數沿徑向分布

(1)

式中:en為法向反彈系數;et為切向反彈系數;μ為摩擦系數;θ為撞擊角度,°;下標1為撞擊值；下標2為反彈值;下標n為垂直于反彈平面的分量；下標t為平行于反彈平面的分量。

在新型后混合磨料水射流噴嘴氣液兩相數值模擬基礎上,在磨料入口釋放磨料粒子,觀察磨料粒子運動規律，磨料粒子直徑0.18 mm,密度4 000 kg/m3,初速度0 m/s,磨料粒子數量30。圖8為磨料入口速度0 m/s時磨料粒子在噴嘴出口處的運動軌跡分布,由圖8可知,磨料粒子軌跡線在新型后混合磨料水射流噴嘴出口處隨徑向距離增大分布趨于稠密。

圖8　磨料粒子在新型后混合磨料水射流噴嘴出口處的運動軌跡

圖9　新型后混合磨料水射流噴嘴出口截面磨料分布直方圖

將新型后混合磨料水射流噴嘴出口不同位置處的磨料粒子分布數量用柱狀圖表示,見圖9。由圖9可看出,在新型后混合磨料水射流噴嘴中,磨料粒子在噴嘴出口處分布不均勻,磨料粒子只有少部分進入噴嘴中心,大部分磨料粒子發散分布在噴嘴出口邊緣,不能有效形成均勻濃度分布的磨料水射流。主要原因是高速高壓的水射流具有一定剛性,磨料粒子游離在水束周圍難以進入射流中心。

為研究磨料粒子入口速度對磨料粒子運動軌跡的影響,磨料粒子初速度分別設置為0、2、4、6 m/s,方向垂直于磨料入口進入混合腔,觀察不同入口速度情況下磨料的運動情況，見圖10。

由圖10可看出,磨料粒子進入新型后混合磨料水射流噴嘴后向高速運動水束靠攏,并在接觸到水射流束本體后迅速改變運動方向,朝圓柱段方向運動。當磨料粒子入口速度設置為0 m/s時,磨料粒子在磨料入口處由靜止狀態受到混合腔內紊動和卷吸作用進入混合腔。由圖10-a)可看出,磨料粒子受到水流作用進入圓柱段,順流性較好,與混合腔內壁發生碰撞摩擦的可能性概率很低。隨著磨料入口速度的增大,磨料接觸水束后發散更劇烈,在混合腔內與噴嘴內壁發生碰撞和摩擦的磨料粒子數量也增大,同時也造成混合腔內受碰撞摩擦的壁面區域面積增大?；旌锨粌饶チ狭Ｗ优c新型后混合磨料水射流噴嘴內壁的碰撞主要發生在收縮段下游及圓柱段上游部分。