基于FLUENT干冰清洗噴嘴氣固兩相流場仿真研究

汪 盧，雷澤勇，鄧 健，李玉文

(南華大學 機械機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

干冰清洗作為一種高效、無二次污染的清洗方法，正被廣泛應用于工業清洗中。干冰清洗過程氣體磨料射流拋光或切割的原理相似，都是利用壓縮空氣使得顆粒介質獲得較大的動能到達清洗物體的表面，通過與清洗物體表面實現能量的轉換，實現清洗的過程。噴嘴作為干冰清洗系統中最重要部件，是干冰顆粒獲得較高的動能實現清洗過程。目前，在磨料射流領域使用的噴嘴，根據噴嘴內部流道的形狀大致可以分為圓柱型噴嘴，收斂型噴嘴及縮放型噴嘴。其中，圓柱型噴嘴由于加工簡單，射流集中不易發散被廣泛應用[1]。本文利用Fluent軟件對圓柱型噴嘴的內外部流場進行模擬仿真，分析圓柱型噴嘴軸線上的靜壓、速度以及干冰顆粒速度和運動軌跡變化的原因，同時對清洗過程進行簡單的模擬，為研究不同工作參數對清洗效果的影響提供理論依據。

1 流場分析理論基礎

1.1 基本假設

(1)在模擬計算中該流體設為湍流流體；

(2)流體為理想氣體，服從絕熱流動方程；

(3)在氣固兩相流模擬中，干冰顆粒視為球體，密度相同且表面光滑。當固體顆粒與壁面、對稱面碰撞時能量沒有損失，并且為對稱反射；

(4)只考慮氣體作用在固體顆粒上的穩態氣動阻力，忽略固體顆粒自身重力、Basset力和Saffman力對干冰顆粒的影響[2-3]。

1.2 控制方程

利用Fluent軟件對噴嘴的流場及干冰顆粒的運動進行分析，應遵循質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程[4-5]。

(1)質量守恒方程

(2)動量守恒方程

(3)能量守恒方程

1.3 數學模型

氣流在噴嘴內加速后達到音速，流場中的漩渦將層流破壞，相鄰層流間滑動和混合形成湍流。當前，Fluent中包含的湍流的求解模型主要包括 模型、 模型、S-A模型、RSM模型(雷諾應力模型)及LES(大渦模型)等[6]。目前，模擬噴嘴的自由射流使用最多的為S-A模型，S-A湍流模型常用于大梯度、近壁的氣體流動的數值模擬,在渦輪機械等方面的計算中有著廣泛的應用，相比于標準 模型，S-A湍流模型對于軸對稱機構的模型具有更高的計算穩定性和精度。本文選取的模型均為軸對稱結構，因此選用S-A湍流模型[7-8]。

干冰清洗核廢料固化桶的過程實際上是一種兩相運動，包含干冰顆粒的固相和壓縮空氣的氣流相。在連續的氣流相中加入干冰顆粒，將會引起氣流的流動狀態(包括氣體的質量、流量、動量)產生一定的影響。目前，對于氣固兩相流的模擬有兩種方法，一種是基于歐拉-拉格朗日方程進行的兩相流模擬，另一種是基于雙歐拉(歐拉-歐拉)方程的計算。 本文中，將干冰顆粒視為離散相，選擇歐拉-拉格朗日方程進行的兩相流模擬。

2 幾何建模與網格劃分

2.1 噴嘴的幾何形狀

圓柱型噴嘴的結構如下圖1所示，內徑15mm，長度150mm。

圖1 干冰清洗噴嘴三維圖

2.2 網格的劃分

本文研究的噴嘴結構相對簡單，且呈軸對稱結構，在ICEM CFD中采用四邊形的結構化網格進行流場劃分，得到高質量的網格，提高在FLUENT中運算速度。同時，對噴嘴的入口及近壁面等壓力及速度梯度較大的地方進行加密，加密后的網格更容易捕捉到氣流的變化情況，從而更好的分析噴嘴內外部流場的速度、壓強等參數。劃分的網格及邊界類型的設置如下圖2所示。

圖2 網格劃分及邊界類型設置圖(自由射流)

2.3 邊界條件及求解器設定

選用S-A模型和離散相模型(DPM)對噴嘴的氣固兩相流進行仿真分析。空氣作為連續相，設置為理想氣體；干冰顆粒為離散相，直徑大小為0.1mm，質量流量0.028kg/s，密度為1572kg/m3。工作參考壓力設置為0，壓力入口設置為0.8MPa，壓力出口設置為標準大氣壓101325Pa。采用SIMPLE算法進行計算。

3 噴嘴流場仿真分析

3.1 噴嘴自由射流的氣相流場分析

圖3 軸線速度云圖

圖4 軸線壓力云圖

圖5 軸線速度變化曲線圖

圖6 軸線速度變化曲線圖

通過軸線上速度和壓力云圖發現，氣流在噴嘴內加速，到達噴嘴出口時由于噴嘴出口壓力遠高于大氣壓力，出現欠膨脹超音速氣流的情況，出現膨脹波，壓力明顯降低，距離出口50mm時速度達到最大值634m/s。隨著膨脹波向下游發展，經自由表面反射成為斜激波，造成壓力升高，出現膨脹波，因此在軸線上一直出現壓力高低交替分布的情況[9]。隨著氣體黏性的影響，通過混合作用，氣流壓力下降與大氣壓力相等。

3.2 噴嘴自由射流的氣固兩相流場分析

利用FLUENT對干冰顆粒的運動進行模擬仿真，首先待氣相流場穩定后，然后設置干冰顆粒的相關參數，比如直徑大小、質量流量等參數，加載DPM模型，待殘差收斂后，查看顆粒的運動軌跡及速度的變化情況。

圖7 干冰顆粒的運動軌跡圖

圖8 軸線處干冰顆粒的速度變化

通過干冰顆粒的軌跡圖及軸線處干冰顆粒的速度變化圖可知，干冰顆粒在離開噴嘴后，受氣流的影響，在空氣中呈現散射狀態，干冰顆粒的速度隨著氣流的變化增大。0.1mm的干冰顆粒直徑較小，慣性力小，受氣體阻力的影響較大，當距離噴嘴出口100mm時，干冰顆粒速度到達最大值。隨著氣體黏性的影響，干冰顆粒將做減速運動。

3.3 噴嘴射流清洗過程仿真模擬

進行干冰清洗沖擊過程的仿真模擬時，首先對邊界的類型進行修改，只要將自由射流模擬時的右邊的壓力出口修改為wall，得到的網格劃分圖如下圖所示。

圖9 網格劃分及邊界類型設置圖(清洗沖擊)

圖10 清洗沖擊過程速度云圖

圖11 干冰顆粒碰撞軌跡圖

圖10、圖11分別為干冰顆粒沖擊過程的速度云圖和碰撞軌跡圖。從圖10可以看出，超聲速噴流受到平板的阻擋，被迫在平板前形成一道激波，使氣流的速度降低，板激波與平板間的中心部分氣流的流動為亞聲速狀態。圖12～圖15分別為不同距離下，干冰顆粒沖擊過程的速度云圖，可以發現隨著距離的增大，馬赫盤不再出現，對氣流的加速作用不明顯，將不出現板激波[10]。

圖12 靶距50mm的速度云圖

圖13 靶距150mm的速度云圖

圖14 靶距250mm的速度云圖

圖15 靶距350mm的速度云圖

4 結論

(1)通過對圓柱型噴嘴的自由射流氣相流場進行仿真分析，得到了噴嘴內外部氣流的變化規律，由于膨脹波與斜激波的交替作用，軸線上氣體的壓強出現高低交替上升，最后與大氣壓相等。

(2)在穩定的氣相基礎上，加載干冰顆粒，模擬了干冰顆粒的運動軌跡，發現干冰顆粒速度在出口處由于壓差急劇上升。隨著空氣黏性的影響，呈現勻速的運動，圓柱型噴嘴射流集中，不易發散。

(3)模擬干冰顆粒沖擊的過程時，發現馬赫盤是影響板激波產生的原因，同時馬赫盤可以使顆粒加速明顯，為確定合適的清洗距離提供理論指導。