基于收縮角度的錐型縮口噴嘴研究

尚力陽，張智勇，范素香，郝用興，于鵬輝，胡畔

(1.黃河機械有限責任公司，河南 鄭州 450006；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

南水北調工程是中國關乎民生大計的一項重大長距離輸水工程，工程通水運行以來，由于生態平衡系統尚未形成及水體富養化等原因，總干渠內有季節性的藻類滋生情況發生，為改善藻類滋生對水質的影響，研發藻類清除專用技術裝備對干渠內的藻類及時攔撈清除是非常必要的。

2018年，智能化攔藻裝備安裝在南水北調中線工程十八里河倒虹吸進口閘門處，實現了藻類攔藻清除，該裝備的沖洗裝置沖洗示意如圖1所示，噴嘴采用高壓水射流方式，對附著在旋網上的藻類沖刷率可達90%，但少數藻類繼續附著在旋網上隨其一起轉動，影響濾網過水能力，也降低藻類攔撈清除效果。

圖1 沖洗示意圖

劉俊等研究了影響噴嘴功用的要素，選取與清洗系統匹配的噴嘴，顯著提高了清洗效果，降低了能源消耗。孫軍等通過對風琴管噴嘴內壁粗糙管道進行仿真模擬，結果表明內部管道的尺寸變化以及凸起結構會顯著影響管道內壁面的流場分布。袁太平等分析了錐型縮口噴嘴、突變型截面噴嘴和圓弧型截面噴嘴孔內的速度分布情況，等。盡管很多專家學者對噴嘴進行了結構設計與優化的研究，但專門針對藻類沖刷的研究較少。由于藻類與水結合緊密呈粘稠狀，黏附現象嚴重，特別是黏著在旋網孔內，使得少量頑固藻類難以從旋網沖洗脫離。

運用數值模擬的手段，探究錐型縮口噴嘴的收縮角度對噴嘴性能的影響，優化噴嘴結構，提高噴射性能。此研究旨在通過對噴嘴結構的優化，提高噴嘴性能，進而提高藻類的沖洗效果。

1 噴嘴結構

沖洗裝置中噴嘴噴射目的是將旋網上附著的藻類沖洗干凈，且節省能耗、降低使用成本，具體要求滿足以下幾點：①噴嘴噴射出的水射流要將管道內的壓力能盡可能有效轉變為對于噴射目標的噴射能力，噴射水流要有較好的均勻聚集性；②噴嘴噴出的水流，所受到的卷吸作用要盡量小，保證噴出的水射流要有較好穩定性，對射流表面有較好的沖擊力；③噴嘴不易發生堵塞；④在滿足射流預期目的情況下，盡量減少水耗。

不同結構形式的噴嘴會得到不同的射流效果。應根據射流作業的要求，合理地選用噴嘴類型。文章主要是對錐型縮口噴嘴進行研究分析。錐型縮口噴嘴如圖2所示，其結構參數主要包括噴嘴入口直徑D、收縮角θ、出口直徑d、縮頸長度a、噴嘴總長度L和噴嘴外徑H。

設定噴嘴入口直徑D=5 mm，出口直徑d=3 mm，縮頸長度a=4 mm，噴嘴長度L=20 mm，噴嘴外徑H=10 mm。主管道作為常壓管道，設計壓力選擇0.30 MPa，遵循盡量少用水的原則，在滿足沖洗的條件下選擇盡量選擇小孔徑、小流量。但是選擇的孔徑不能過小，因為孔徑過小，會造成噴出水流容易霧化的困擾，因此在0.30 MPa的壓力下，選擇噴嘴出口直徑3 mm，足以將藻類沖掉。

2 數值模擬分析

噴嘴出口的水流流速越大，噴出的水流對攔截的藻類沖擊力越大，實際應用中，對藻類沖洗效果不僅受到噴嘴噴出水流流速的影響，也受到水流集束均勻性影響，實踐證明，同等水流流速下，集束均勻性好水流比集束均勻性差的水流對藻類沖洗的效果好。因此，噴嘴的性能主要由出口水流流速和集束性這兩項評價指標來判定，對于錐型縮口噴嘴，隨著收縮角增大，水流速度增大，但動能損失也相應增加。故選擇收縮角度范圍為10°～70°的錐型縮口噴嘴進行研究分析，在該范圍內選取收縮角為10°、30°、50°、70°的錐型縮口噴嘴，探究使錐型縮口噴嘴出口處的水流達到較好集束性小范圍的收縮角度區間。

2.1 仿真條件設置

運用Fluent軟件，保持其他參數不變，只改變收縮角進行仿真。設定入口流量為3.90 L/min，通過流量和流速關系公式：

Q=V·S

(1)

式(1)中：Q—入口流量；V—入口流速；S—入口截面面積。

計算得到入口速度為3.31 m/s。采用Fluent前處理軟件Geometry建立錐型縮口噴嘴3D模型。設置流體介質為水。由于射流場處于高湍流狀態，所以湍流模型選取標準 k-ε模型，該模型計算過程如下：

(2)

質量加權平均的連續性方程：

(3)

質量加權平均的動量方程：

(4)

質量加權能量方程：

(5)

壓力插值格式采用Body Force Weighted，采用一階迎風離散格式進行數值運算求解。

2.2 仿真結果與分析

2.2.1 噴嘴收縮角為10°、30°、50°、70°的仿真分析

在選擇噴嘴的收縮角度時，既要考慮噴嘴出口水流流速的大小，也要考慮噴嘴出口水流流速的分布均勻程度，要保證較好的集束性的前提下，噴嘴出口截面的水流流速盡可能大。按照上述仿真條件設置，通過Fluent軟件求解器計算，得到收縮角度分別為10°、30°、50°、70°時噴嘴沿中心Y-Z截面的流速云圖，如圖3所示。可以看出，在噴嘴內部通道的收縮段，噴嘴將流經的水流受到的壓力能轉變成了水流流動的動能，從而增加了流經水流的速度，實現噴嘴出口水流的噴射速度的提高，并且收縮角越大，出口流速越高。

(a)θ=10° (b)θ=30° (c)θ=50° (d)θ=70°圖3 噴嘴沿Y-Z截面射流流速云圖

分別選取10°、30°、50°、70°收縮角度的噴嘴出口X-Z截面Z方向水流流速云圖，如圖4所示。可以看到，雖然各個噴嘴的收縮角度不同，但可以發現距離噴嘴截面中心越遠的區域，水流的流速愈小。在距噴嘴中心軸線最遠的邊緣區域，即噴嘴中貼近通道內壁區域的水流流速很小，甚至無流速，這主要是因為噴嘴通道內壁對流經的水流有一定的摩擦力，從而減小了水流的流速。進一步的，可以發現，當收縮角度為10°和30°時，流經噴嘴出口截面的水流速度的均勻性較好。收縮角度為50°、70°的噴嘴在出口X-Z界面上都出現了較為明顯的流速大小不一的區域，均勻集束性較差。

(a)θ=10° (b)θ=30° (c)θ=50° (d)θ=70°圖4 噴嘴出口X-Z截面水射流流速云圖

綜合圖3、圖4四個收縮角度的仿真模擬結果，通過分析可以得出結論：在收縮角度10°～70°的范圍內，隨著噴嘴收縮角度的增加，收縮段對水流的阻礙作用越來越明顯，導致水流流經該段時，速度變化越來越大，使流經噴嘴出口截面的水流速度的均勻性越差，而在10°～30°的收縮角度范圍內，流經噴嘴出口截面的水流流速分布較為集中均勻。因此下一步擬在10°～30°的收縮角度范圍，進行更加細化的對不同收縮角度的錐型縮口噴嘴進行仿真模擬。

圖5 收縮角度與噴嘴出口X-Z截面Z向面平均速度關系圖

圖6 收縮角度與噴嘴出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數關系圖

2.2.2 針對收縮角角度在10°～30°范圍內噴嘴的仿真分析

通過Fluent軟件求解器計算，得到噴嘴收縮角度在10°～30°范圍內不同收縮角度錐型縮口噴嘴的出口截面Z方向的面平均速度和Z向速度分布均勻度指數，如圖5、圖6所示。由圖可知，噴嘴出口X-Z截面Z向面平均速度隨收縮角度增大而增大，噴嘴出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數隨收縮角度的增大而減小，其中收縮角在10°～14°范圍內噴嘴出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數緩慢減小，在收縮角度14°之后噴嘴出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數開始逐漸加速減小。總體趨勢與前面對收縮角為10°、30°、50°、70°的噴嘴仿真分析得出的噴嘴出口水流的集束性隨著收縮角度的增加而變差的結論相符合。

所以，經過上述分析可以得出收縮角為22°的噴嘴沖洗效果最好，其出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數達到0.985以上，集束性較好，在噴嘴出口X-Z截面Z向速度分布均勻度指數達到0.985以上的收縮角度中，其出口X-Z截面Z向面平均速度最大，達到9.273 523 m/s。

3 應用

該智能化攔藻裝備的沖洗裝置中的錐型縮口噴嘴選取最佳收縮角為22°，經過結構優化之后，改善了沖洗性能，沖洗率達到98%以上，沖洗裝置現場運行如圖7所示。

圖7 沖洗裝置圖

4 結論

采用Fluent軟件通過對不同收縮角度錐型縮口噴嘴進行建模仿真，模擬分析水流通過噴嘴出口截面的流速分布情況，得到流速分布云圖以及收縮角度和沿Z軸方向流速的關系曲線圖。分析結果可以得到以下結論：①通過對收縮角為10°、30°、50°、70°的錐型縮口噴嘴進行仿真模擬，結果初步表明噴嘴出口水流的集束性隨著收縮角度的增大而變差。②通過對收縮角在10°～30°之間的錐型縮口噴嘴進行數值分析，進一步得出噴嘴出口水流的集束性隨著收縮角度的增大而變差，并且得到在10°～30°收縮角度范圍內，噴嘴出口水流平均流速隨著收縮角度的增加而增大。最終分析結果表明收縮角為22°的錐型縮口噴嘴集束性較好，并且在具有較好集束性的不同收縮角的錐型縮口噴嘴中，其噴嘴出口水流平均流速最大。③采用收縮角度為22°的錐型縮口噴嘴使智能化攔藻裝備的攔藻率從90%提升至98%以上，顯著地改善了沖洗性能。