新型串聯組合噴嘴空化射流數值模擬

王佳勝，袁躍峰，謝 飛

浙江海洋大學海洋工程裝備學院 浙江舟山 316022

水 射流破煤是采煤工作中常用的一種方法，因其高效、綠色、成本低以及便捷的特性得到廣泛關注并快速發(fā)展起來。空化水射流是在水射流技術基礎上發(fā)展起來的一種新型水射流技術。空化水射流在噴射過程中能形成大量空泡，當這些空泡破滅時，會產生瞬間的高壓和高溫，形成劇烈的沖擊波和微射流，這種能量能顯著提高射流的沖擊力，有利于巖石的破碎。由于空化水射流能展現出較為良好的沖擊效果，在煤礦開采及材料切割等領域中具有巨大的應用價值。

19 世紀末，Parsons 等人在調查分析艦艇和輪船的螺旋槳受到腐蝕破壞的原因時發(fā)現了空泡的影響，第一次提出了“空化”的概念[1]。之后隨著對空化研究的不斷深入，研究人員們發(fā)現空化具有無污染、低耗能、高效的特質，可以在射流技術中得到良好的應用。Hutli 等人通過淹沒空化射流進行了試驗研究，發(fā)現空化侵蝕過程與材料性能、暴露時間以及流體溫度等有緊密關系[2]。Watanabe 等人采用光學顯微鏡、掃描電鏡觀察、侵蝕特性測量和同步影像成像，結合加速度脈沖測量對空化射流的云結構變化和侵蝕特性進行了試驗研究。研究結果表明，空化泡在試樣表面附近的潰滅與空化射流在試樣表面的侵蝕分布有關[3]。在國內，李根生等人用硬質合金為主要材料研制出了石油鉆井用自振空化射流噴嘴，并通過試驗表明，自振空化噴嘴鉆頭相比于普通中長噴嘴鉆頭的鉆井速度提高了 10.5%～ 49.3%[4]。孫軍等人通過對風琴管噴嘴出口段的粗糙管道流場進行分析，發(fā)現凸起的存在顯著影響了近壁面流場壓力，空泡演變初期，凸起高度和寬度的增加提高了空泡生長速率，隨時間延長，凸起的尺寸增加加速了空泡的破滅[5]。在仿真研究上，劉伯軒等人采用 CFD 軟件對新型復合噴嘴進行了模擬研究，發(fā)現復合噴嘴在非淹沒條件下具有良好的空化效果[6]。

目前，空化水射流現象主要通過特定的噴嘴結構誘發(fā)空化這一方式發(fā)生，因此噴嘴是影響空化現象的關鍵部件。研究人員對空化射流噴嘴的結構進行了大量的研究，噴嘴結構有自激震蕩型噴嘴[7]以及繞流型噴嘴[8]，這 2 種結構均存在空化強度有限以及空泡含量均勻性較差等問題。筆者結合自激震蕩型噴嘴以及繞流型噴嘴的結構原理，提出了一種新型的串聯組合噴嘴，并采用 Fluent 軟件進行數值模擬，探究該串聯組合噴嘴的射流空化性能，為空化噴嘴的設計以及研究提供了借鑒。

1 機理分析及物理模型

1.1 機理分析

基于風琴管噴嘴，在噴嘴出口端串聯一個中心體空化器，形成新的串聯組合噴嘴，其結構如圖 1 所示。當穩(wěn)定流體進入噴嘴，諧振腔處的收縮面使流體產生初始壓力激動，并將壓力激動反饋回諧振腔，形成反饋壓力振蕩。當壓力激動的頻率與風琴管諧振腔的固有頻率相匹配時，反饋的壓力震蕩在諧振腔處得到放大，從而引發(fā)流體共振，促使射流剪切層渦流變成大結構分離環(huán)狀渦流，這種大結構分離環(huán)狀渦流使流體的空化程度得到增強[9]。經過初步空化增強后的流體繞過中心體后，在尾部區(qū)域產生低壓漩渦區(qū)，促使流體空化強度得到進一步提高，最終產生較為明顯的空化射流效果。

1.2 幾何模型

串聯組合噴嘴幾何模型如圖 2 所示。該噴嘴主要由入口腔、諧振腔和中心體腔 3 部分組成。

圖2 串聯組合噴嘴幾何模型Fig.2 Geometrical model of series combined nozzle

在穩(wěn)定流動的理想流體中，噴嘴入口截面及出口截面之間的物理關系可由伯努利方程定義[10]，

式中：p1、p2為噴嘴進、出口壓力，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v1、v2為噴嘴進、出口平均流速，m/s。

射流的空化程度可以由空化數σ來定義，

式中：p∞為環(huán)境壓力，Pa；pv為流體飽和蒸汽壓，Pa；v為流體速度，m/s。

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型

采用 ICEM 軟件進行網格劃分，如圖 3 所示。由于模型具有對稱性，為了減小計算量，提高收斂速度，選用噴嘴截面的一半進行計算。

圖3 噴嘴網格劃分Fig.3 Mesh division of nozzle model

由于流體流動狀態(tài)主要為湍流流動，選用 RNGk-ε模型。該模型考慮了渦流對湍流的影響，提高了漩渦流動的精度。該模型的輸運方程如下：

式中：k為湍流動能；ε為湍流耗散率；Gk為速度梯度產生的湍動能項；Gb為浮力產生的湍動能項；YM為湍流脈動膨脹對總耗散率的貢獻項；α k、αε分別為k和ε有效普朗特數的倒數；C1ε、C2ε、C3ε為常數項；Sk、Sε為自定義源項。

多相流模型選用 mixture 模型，該模型考慮了界面?zhèn)鬟f特性及兩相間的擴散和脈動作用[11]，對于氣液混合流場有較高的準確性和較快的計算速度；空化模型采用 Schnerr and Sauer 模型，該模型在壓力系數計算方面更有優(yōu)勢，且計算更容易收斂。

2.2 邊界條件設置

計算域中流體第 1 相設置為液態(tài)水，第 2 項設置為水蒸氣，液態(tài)水的初始體積分數設置為 1；入口條件設置為壓力入口，壓力值為 30 MPa；出口條件設置為壓力出口，壓力設置為標準大氣壓；水的飽和蒸氣壓設置為 3 540 Pa；工件壁面設置為無滑移壁面。設置完成后進行初始化，然后進行模擬計算。

3 結果分析

原風琴管噴嘴和串聯組合噴嘴的空泡體積分數分布以及湍流動能分布如圖 4、5 所示。由圖 4 可以看出，風琴管噴嘴產生的射流空化強度較低并且均勻性較差，空化現象主要發(fā)生在擴張段壁面附近，并向外流場及中心軸線方向擴散。這是因為風琴管噴嘴的擴散段加強了射流與外部液體的剪切作用，該區(qū)域更容易形成漩渦，導致空化更容易在擴散段孔壁附件發(fā)生。由圖 5 可以看出，漩渦使射流的湍動能在出口兩端得到提升，但是在風琴管噴嘴中心軸線處的湍動能較低，這說明風琴管噴嘴中心的射流較為平穩(wěn)，難以觸發(fā)空化初生，這也解釋了圖 4 中風琴管噴嘴射流的空泡含量集中在軸線兩側，中心軸線處較低的原因。而相比于風琴管，串聯組合噴嘴產生了空泡含量較高并且空泡均勻性較好的空化射流。這是因為流體繞過中心體末端后形成了低壓漩渦，當漩渦中心的壓力低于水的飽和大氣壓時，就有利于該區(qū)域空泡的初生，從而使射流在中心軸線處的空泡含量得到較大提升，并且在整體上提升了射流的空化強度，最終形成劇烈而穩(wěn)定的空化射流現象。

圖4 2 種噴嘴的空泡體積分數Fig.4 Cavitation volume fraction of two kinds of nozzle

圖5 2 種噴嘴的湍流動能Fig.5 Turbulent kinetic energy of two kinds of nozzle

2 種噴嘴的空泡體積分數分布如圖 6 所示。由圖6(a) 可以看出，由于中心體的強化作用，串聯組合噴嘴在軸線的最高空泡體積分數達到了 0.99，相對于原風琴管噴嘴，提高了 30% 左右。對比 2 種噴嘴，串聯組合噴嘴在外流場軸線處的空化強度要明顯高于風琴管噴嘴。

由圖 6(b) 可以看出，風琴管噴嘴射流的空泡含量從軸線處逐漸升高，并在距軸線近 0.8 mm 處達到峰值，說明射流的空化初生強度主要集中在噴嘴孔壁周圍，中心軸線處較弱。串聯組合噴嘴射流的空泡含量由軸線處的最高點逐漸降低，隨后出現升高的趨勢，最后遇到孔壁后迅速降低到 0。原因是由于在諧振腔的震蕩空化與中心體的繞流空化共同作用下，導致串聯組合噴嘴的中心軸線處以及軸線兩端都出現了明顯的空化初生現象。對比 2 種噴嘴，風琴管噴嘴出口截面處的空泡含量波動較大，而串聯組合噴嘴射流的空泡含量主要分布在 0.8～1.0 之間，上下起伏較為平緩。

圖6 2 種噴嘴的空泡體積分數分布Fig.6 Cavitation volume fraction distribution of two kinds of nozzle

4 結語

基于風琴管噴嘴提出了一種與中心體相結合的新型噴嘴，并采用 CFD 軟件 Fluent 數值模擬了射流的空化現象。通過模擬結果可以看出，流體通過諧振腔并繞過中心體后能產生更高含量的空泡，因此串聯組合噴嘴所展現的空化效果更為劇烈。串聯組合噴嘴出口孔壁周圍及中心軸線處均具有明顯的空化初生現象，噴嘴出口周圍流場的空泡分布較為均勻。該噴嘴對于空化射流噴嘴結構的研究以及工程應用具有一定的借鑒價值。