基于Fluent 的高壓清洗機噴嘴優化

胡壽高，冷和，楊懷寧，李浙昆

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.650231 云南省 昆明市 紅云紅河煙草（集團）有限責任公司昆明卷煙廠；3.650228 云南省 昆明市 云南省計量測試技術研究院）

0 引言

由于產量大，卷煙廠在生產過程中需要大量使用煙盤，而煙盤在使用后表面會積附大量的油漬，如圖1 所示。由于油漬本身難以清洗，加上煙盤外側結構落差大、表面粗糙度大，增大了油漬的清洗難度。

圖1 沾有油漬的煙盤Fig.1 Cigarette trays stained with oil

為了清洗大量的煙盤，煙廠購買了某型號高壓清洗機。該清洗機流量為15 L/min，采用的是直線型噴嘴，其水射流大致為一條直線。直線型射流的沖擊力足以去除油漬，但其覆蓋范圍小，導致在大面積清洗作業時效率低下而耗費大量的時間，同時在清洗過程中還容易形成帶狀的清洗痕跡。為此，煙廠在使用清洗機清洗煙盤的同時還安排了人工刷洗，增加了清洗作業的成本消耗。

為了提高清洗效率，對清洗機進行優化設計是很有必要的。而噴嘴作為水射流設備的執行部件，是將高壓水轉化為高速水射流的關鍵部位[1]。在同樣的流量下要想提高清洗機的清洗效率，對噴嘴的優化十分關鍵。本文將針對煙盤這類清洗目標提出噴嘴的結構改進方案，并運用ANSYS Workbench 的Fluent 模塊對噴嘴的內外流場進行仿真分析。

1 高壓水射流除污機理

高壓水射流清洗技術是在國際上興起的一種高效清洗技術，當高速水射流到達目標表面時，其巨大的動能作用在物體表面上產生巨大沖擊力，利用沖擊力可以將污漬、泥沙、銹跡、涂層等從目標表面清除。高壓水射流清洗技術是一種應用廣泛的清洗技術，工業上使用此技術進行清洗的比例已達到80%～85%。相較傳統的人工清洗、化學清洗、機械清洗等方法，高壓清洗技術具有清洗效率高、更加環保、適用范圍廣、使用成本低、不損傷目標表面，易于實現機械化和自動化等優點。此外，高壓水射流清洗作業還可在空間狹小、壞境惡劣的工作場合進行[2]。

噴嘴是高壓清洗設備的執行元件，噴嘴出水處的截面積遠小于進水處，因此由水泵輸送過來的高壓水流在進入小截面通道時，流速會迅速增大。由此通過噴嘴的特殊結構，高壓水流被轉換為了高速水射流噴出，并以很高的動能作用在物體表面，從而達到清洗效果。

2 常用的噴嘴結構

煙廠使用的直線型噴嘴的內部結構示意圖如圖2 所示。直線型噴嘴是目前最常用的噴嘴結構之一，其出口端流道為圓柱形，能夠將射流集中化，實現更強的水流打擊力。但其理論上射流為一條直線，打擊寬度偏小，清洗效率低。

圖2 直線型噴嘴內部結構Fig.2 Internal structure of linear nozzle

除了直線型噴嘴外，清洗機上常用的噴嘴類型還有扇形噴嘴，其內部結構圖如圖3 所示。不同于直線型噴嘴，扇形噴嘴的出口處有一個橢圓形的流道。一個V 形槽從外部切割后，與橢圓形流道相貫通形成了扇形噴嘴的整個流道結構[3]。

圖3 扇形噴嘴內部結構Fig.3 Internal structure of fan nozzle

扇形噴嘴能夠形成不同角度的扇形水射流，沖洗寬度大，適用于平整表面的清洗，但其軸向的速度下降率大，靶距適應性差，因此并不適用于煙盤外側的高落差結構。

3 噴嘴結構的優化

3.1 優化目標

污漬的剝蝕量計算公式如下[4]：

式中：J ——污漬總剝蝕量，m3；H——污漬厚度，mm；B——水射流打擊寬度，m；V——噴頭的移動速度，m/s；t ——清洗作業用時，s。

在單位時間t 內，增加污漬的總清洗量J 便可增加清洗效率。H 為污漬固有屬性，無法人為控制。噴頭移動速度V 是根據具體清洗效果而定的，水射流的沖擊力增大，V 的值也會增大。通過改變噴嘴結構、改變靶距等方法可增大水射流打擊寬度B，故V 與B 的值是人為可控的。

由此可得，J 值主要通過改變B 與V 的值來人為控制，因此對噴頭的優化主要集中在對射流寬度與射流沖擊力的綜合優化上。然而在同樣的水流量條件下，射流寬度增大的同時，射流分散會使沖擊力減小，同時煙盤的主要清洗面結構多凹槽、落差大，要求射流要有良好的靶距靈活性。

綜上分析制定以下優化設計目標：增加射流寬度的同時，減小對射流沖擊力的影響，控制射流速度的下降率。

3.2 優化方案

對于恒定流量的高壓清洗機，在不同作業場合要提高清潔效率，改變噴嘴的結構形式是最經濟且便捷的方法。要實現上述優化目標，可以采用扁平型寬噴嘴，即在保持出口截面積不變的情況下，適當增大出口寬度，同時設計導流段。圖4 為優化后的扁平噴嘴的內部結構示意圖。

圖4 扁平型噴嘴結構示意圖Fig.4 Structure diagram of flat nozzle

噴嘴出口截面呈細長狀，為便于對比分析，其出口截面積設計為與直線型噴嘴相同。扁平型噴嘴相比直線型噴嘴，射流寬度會更大，且保留了直線型噴嘴射流集中的特點，沿射流方向的速度下降率也能做到盡可能小。這樣對于煙盤這種凹槽結構偏多的結構來說，清洗時的靶距可以做到更加靈活。

4 CFD 流場分析與對比

4.1 軟件簡介

本研究中用于流體仿真的軟件為ANSYS Workbench中的Fluent模塊。Fluent是目前國際上比較流行的計算流體動力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）軟件，擁有豐富的集成物理模型和流體問題數值方法，對于流體力學的運動模擬，使用離散數值分析模擬流體動力學模型，采用不同的計算方法和離散形式，解決不同模型下的流動問題[5]。

4.2 直線型噴嘴的流場仿真

4.2.1 建立模型

煙盤高壓清洗作業靶距一般在20～30 cm，因此主要對距離出口30 cm內的射流進行模擬仿真，分析射流的速度變化以及射流作用在目標表面上的壓力分布情況。

直線型噴嘴的簡化模型長度為35 mm，出口孔徑為3 mm，噴嘴外流場模型為直徑80 mm、長300 mm 的圓柱體。將模型導入ICEM 網格劃分工具，繪制結構化網格。直線型噴嘴內外流場模型與網格劃分如圖5 所示。

圖5 直線型噴嘴內外流場模型和網格劃分Fig.5 Internal and external flow field model and mesh generation of linear nozzle

4.2.2 仿真分析

在Fluent 中選擇VOF 模型和k-epsilon 模型，噴嘴入口設置為速度入口，速度值為2.2 m/s，噴嘴壁設置為wall，為了研究射流作用在目標表面的情況，將外流場右端面也設置為wall，其余面設置為壓力出口。設置步長為0.000 5，迭代次數為2 000 次開始計算。

在后處理中得到的速度云圖以及目標面上的壓力云圖分別如圖6、圖7 所示。由圖6 中可以看出，直線型噴嘴的射流結構致密，聚集性強，最大速度為38.93 m/s，速度下降率較小。由圖7中可以看出，直線型噴嘴的射流的作用寬度小，目標表面上的壓力由中心點向四周以圓環狀迅速減小。

圖6 直線型噴嘴對稱面速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of symmetrical plane of linear nozzle

圖7 直線型噴嘴目標表面壓力云圖Fig.7 Pressure nephogram of target surface of linear nozzle

4.3 優化扁平型噴嘴的流場分析

4.3.1 建立模型

為了便于對比分析，需要保持直線型與優化型噴嘴的出口處速度一致，由此優化后的扁平噴嘴出口截面積與直線型噴嘴一致。建立的扁平型噴嘴內流場模型如圖8 所示，噴嘴模型長度為35 mm，噴嘴寬度為10 mm，高為0.7 mm。

圖8 扁平型噴嘴內流場模型圖Fig.8 Internal flow field model of flat nozzle

建立與直線型噴嘴相同的圓柱形外流場模型，優化后的噴嘴出口較窄，因此需要更加細致的網格結構。扁平型噴嘴內外流場模型和網格劃分如圖9 所示。

圖9 扁平型噴嘴內外流場模型和網格劃分Fig.9 Internal and external flow field model and mesh generation of flat nozzle

4.3.2 仿真分析

為了模擬水射流的打擊效果，同樣也將外流場末端截面設置為wall 壁面，參照直線型的設置進行仿真計算，得到的速度云圖以及壓力云圖分別如圖10、圖11 所示。從圖10 中可以看出，扁平型噴嘴的射流較為集中，致密性良好，最大速度為39.18 m/s，與直線型噴嘴基本相同。從圖11 中可以看出，扁平型噴嘴的射流擊打效果與直線型噴嘴不同，目標表面上的壓力分布比較均勻，且作用寬度更大。

圖10 扁平型噴嘴對稱面速度云圖Fig.10 Velocity nephogram of symmetrical plane of flat nozzle

圖11 扁平型噴嘴目標表面壓力云圖Fig.11 Pressure nephogram of flat nozzle target surface

4.4 結果對比與分析

4.4.1 速度變化曲線對比

圖12 和圖13 所示為后處理中得到的速度變化曲線圖，直觀地展示了直線型噴嘴與扁平型噴嘴自速度入口0～335 mm 范圍內的射流速度變化情況。可以看出，隨著射流距離的增加，兩種噴嘴射流在35 mm 后（即從噴嘴出口射出后）的速度均呈下降趨勢。直線型噴嘴射流速度下降率小且穩定，由39.3 m/s 的速度下降到了37 m/s；扁平型噴嘴射流速度在前段的下降率偏大，隨后便以較小的下降率穩定下降，整個過程從39.2 m/s降至35 m/s。兩種噴嘴水射流到達目標表面的速度相差并不大，這是因為扁平型噴嘴導流段保證了射流致密性，減小了射流加寬帶來的空氣阻滯作用影響。

圖12 直線型噴嘴射流速度變化曲線Fig.12 Variation curve of jet velocity of linear nozzle

圖13 扁平型噴嘴射流速度變化曲線Fig.13 Variation curve of jet velocity of flat nozzle

4.4.2 射流打擊效果對比

在目標表面豎直方向創建一條過圓心的線段，在后處理中以線段上的壓力數值繪制出2 種噴嘴的壓力變化曲線分別如圖14、圖15 所示。

從曲線圖可以看出，直線型噴嘴射流作用在目標表面上的壓力十分集中，呈尖塔狀，最大壓力為5.9 MPa，其中超過0.1 MPa 的有效打擊寬度為只有5 mm，在這5 mm 內的等效壓力約為0.43 MPa。

相比之下，優化后的扁平型噴嘴的有效打擊寬度更大，達到了12 mm，為直線型噴嘴的2.4倍。同時射流在目標表面上的壓力分布更加均勻，等效壓力為0.34 MPa，為直線型噴嘴的0.79 倍。參考式（1）可得，在同樣的水流量條件下，優化后的扁平型噴嘴的清洗效率約為直線型噴嘴的1.9 倍。

圖14 直線型噴嘴目標表面壓力變化曲線Fig.14 Pressure curve of target surface of linear nozzle

圖15 扁平型噴嘴目標表面壓力變化曲線Fig.15 Pressure curve of flat nozzle target surface

5 結論

本文針對煙盤的高壓水射流清洗作業，對高壓清洗機使用的噴嘴做了結構的優化，并利用Fluent 軟件分別對直線型噴嘴和優化后的扁平型噴嘴進行了CFD 流場仿真。對仿真結果進行對比分析發現，在出口截面積不變的前提下，適當加寬射流出口，可以增大射流打擊寬度而不破壞射流致密性與速度穩定性，這樣便保證了扁平型噴嘴的靶距適應性，對于煙盤這類表面不規則、落差較大的清洗目標，可以明顯提高清洗效率。