基于Fluent的射流噴嘴結構設計與優化

陳廷兵， 廖文玲， 李曉曉， 敬正彪， 龔一龍(.成都工業學院 智能制造學院， 四川 成都 670；.成都大學 機械工程學院， 四川 成都 6006；.成都工業職業技術學院 裝備制造學院， 四川 成都 608)

0 引 言

天然氣水合物儲量巨大，是一種清潔的能源，如何有效地實現對天然氣水合物的開采受到科研人員的極大關注.目前，針對天然氣水合物開采的研究主要集中于熱激、降壓、注入化學試劑、CO2置換及水力壓裂等方面[1].然而，利用傳統方法對天然氣水合物進行開采時，隨著開采范圍的逐漸增大，極易造成水合物采空區域儲層坍塌等地質災害問題出現，且開采不當還將造成水合物的大量分解， 引發嚴重的溫室效應，并造成大量資源的浪費[2].對此，科研人員提出了天然氣水合物固態流化開采的新技術[3]，其中水合物射流破碎工藝是其中的關鍵之一[4].由于水合物射流破碎工藝是初次提出，因此，結合天然氣水合物的狀態和物理屬性等特點，開展相應的射流破碎研究是實現天然氣水合物射流破碎的主要途徑.研究發現，在射流破碎過程中，射流噴嘴是影響射流破碎效果的關鍵因素之一，而通過對噴嘴結構進行優化能夠達到最優的射流破碎性能[5-10].本研究通過對5種不同結構噴嘴對射流破碎影響的仿真，分析噴嘴結構對天然氣水合物射流破碎效果的影響，并選擇其中較優的噴嘴結構對其具體結構參數值進行優化，以達到最優的噴嘴射流性能，擬為后續研究中為噴嘴選型提供參考依據.

1 模型的建立

1.1 控制方程

本研究的仿真模擬選擇Fluent軟件中的k-ε湍流模型，模型的k和ε方程分別為，

(1)

式中，ρ表示流體密度，k表示湍動能，ε表示耗散率，μ表示流體的動力黏度，Gk、Gb分別表示由于平均速度梯度和浮力引起的湍動能，YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響；xi表示坐標方向，μi表示時均速度，μt表示湍流黏度，σk、σε表示k和ε對應的prandtl數，Sk和Sε表示用戶自定義的源項，C1ε、C2ε和C3ε表示經驗常數.一般而言，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0，σε=1.3[11-12].

1.2 物理模型

由于噴嘴尺寸參數對射流破碎的影響主要通過流道區域的直徑和偏角實現.因此，本研究建立簡化后的單噴嘴幾何模型如圖1所示，ABCDIJKL為噴嘴處的流場區域，EFGH為流場區域.5種不同噴嘴的結構示意圖及具體參數大小分別如圖2和表1所示.

圖1 單噴嘴流場幾何模型

圖2 不同噴嘴結構示意圖

表1 不同結構單噴嘴參數值

在模型的網格劃分時，本研究在綜合考慮網格精度和模型特點的基礎上，確定采用四邊形網格單元對模型進行劃分，并選擇0.05的網格劃分精度，以保證足夠的計算精度和合理的計算時間.劃分后的噴嘴網格示意圖如圖3所示，網格單元數為526 325.

圖3 噴嘴網格劃分示意圖

1.3 邊界條件

邊界條件是仿真分析過程中必不可少的參數之一，對于本研究的射流破碎仿真，設置AL為入口邊界，AB、BC、CD、LK、KJ、JI為壁面，DE、EF、FG、GH、HI為出口邊界，邊界取壓力入口和壓力出口，噴嘴壁面為無滑移壁面，并選取入口壓力為5 MPa，出口壓力為0.1 MPa，入口的紊流強度為5%.在此邊界條件下模擬研究水射流的流場分布情況，選取SIMPLE為模擬實驗中的流場數值解法.

2 結果與優化

2.1 結果與討論

相同情況下，5種不同流道結構的噴嘴對射流場區域速度分布的影響如圖4所示.

圖4 5種噴嘴流場速度云圖

由圖4可以看出，射流介質通過收縮段收縮后流入水平的過渡段，此時射流介質達到最大速度，同時擁有的能量最大；而經過渡段穩定后射出噴嘴，速度減小，且都有一定的發散，最終呈尖帽狀分布，不同流道的噴嘴對射流速度仍存在一定的影響.從圖4(a)和(b)可以看出，對于a和b兩種結構的噴嘴，收縮段的存在對射流核心段長度及速度集中度有一定影響；收縮段結構讓噴嘴射流速度更加集中，射流核心段長度更長，而無收縮段的噴嘴其射流速度較為發散，射流核心段也較短.對比圖4(a)和(e)可知，噴嘴收縮角、發散角、過渡段的引入將增大射流出口的速度，同時也使發散角度相對增加，射流介質在噴嘴出口處有更加細致流場的分布，這有利于充分利用水射流能量，提高開采性能和效率，增大開采范圍.

為了更加清楚地了解不同結構噴嘴對射流軸線上介質速度的影響，本研究描述了100 mm范圍內5種不同結構噴嘴軸線上的速度分布對比，具體如圖5所示.

圖5 5種噴嘴流場的軸向速度分布

由圖5可以看出，5種不同結構噴嘴在軸線上的介質速度分布規律基本一致，均呈現先增加后減小的變化趨勢，但速度最大時所對應的軸向距離存在一定的差異.此外，在相同的邊界條件和外在因素影響情況下，5種結構噴嘴中，射流介質在噴嘴e的噴嘴出口附近有最大速度，為122.608 m/s，比其余4種結構噴嘴的速度高很多，繼而所獲得的能量也大得多.因此，噴嘴e對水射流能量的利用最大，能夠更好地實現水合物的射流破碎效果.

2.2 噴嘴結構優化

綜合圖4和圖5的結果，本研究選擇噴嘴e為天然氣水合物射流破碎開采的射流噴嘴，并在此基礎上，對噴嘴e的結構進行優化設計以獲得更優的射流破碎效果.

針對噴嘴e的結構優化，本研究設計了如表2所示的正交因素分析表，研究噴嘴入口直徑、過渡段直徑、過渡段長度、收縮角和擴散角對射流破碎的影響.

表2 正交因素表

基于正交因素表2，通過仿真分析，得到如表3所示的不同因素下射流介質的出口速度.

表3 正交仿真結果

從表3可以看出，當噴嘴入口直徑為2.0 mm、過渡段直徑為0.8 mm、過渡段長度為4 mm、收縮角為24°、擴散角為10°時，出口處的介質流速最大，此時即為給定條件下的噴嘴e最優結構.在該最優參數下，噴嘴e流場區域的介質速度分布云圖如圖6所示，該最優參數下的軸向速度分布如圖7所示.

圖6 最優參數噴嘴的速度云圖

圖7 最優參數噴嘴的軸向速度分布

3 結 論

本研究通過建立5種不同結構的單噴嘴流場湍流模型，分析了單噴嘴結構參數對射流破碎的影響，并開展了不同結構參數對射流破碎影響的正交試驗，繼而對噴嘴的結構參數進行優化，得出以下結論：

1)在出口處，具有擴散角的噴嘴流場分布更加細致，有利于水射流能量的利用，增大開采范圍.

2)通過正交試驗，得到噴嘴的最佳參數組合方案：入口直徑D=2.0 mm，過渡段直徑d0=0.8 mm，過渡段長度l=4 mm，收縮角α1=24°，擴散角α2=10°.