射流渦環噴嘴出口角度對渦環特性的影響

＊李考溢 李勤 霍英妲 肖豐錕

（沈陽工業大學化工裝備學院 遼寧 111000）

化工廢水處理一直是環境治理問題的重中之重，空化射流處理化工廢水的方式在近年來已成為一類熱點問題，研究人員在此方面已設計出多種空化射流噴嘴，目前的研究僅關注于單一的水射流技術，未進一步擴展噴嘴形式及處理方式。渦環以其形態特殊、結構穩定、且具有出色的流體卷吸能力等特點，可將其應用在射流空化噴嘴上。通過研究發現[1-3]，渦環射流相較于傳統射流，其射流范圍更大、擾動能力更強，因此研究一類新型射流渦環噴嘴對于廢水處理領域具有一定實際意義。國內外有關射流渦環的研究大多對渦環自身結構特性開展研究，Maxworthy[4]利用活塞裝置產生渦環并初步研究了渦環的演化和生長的過程，發現渦環的形成時間會隨入口直徑的增大而增大，但未對出口結構及角度做進一步研究；向陽[5]對渦環的物理特征開展了進一步研究，通過流函數的方法確定了渦環的邊界，并探討了有關渦環的運動學和動力學特性；陳昌隆[6]則對渦環的的演化及渦環撞擊固體壁面開展了相關研究，研究表明雷諾數會影響主渦環的誘導能力，雷諾數越高，則渦環的誘導能力越強。以上研究僅對渦環自身的特性開展了相關研究，未見有改變出口角度而對渦環所造成影響的研究。因此，本文模擬對射流渦環噴嘴開展研究，通過數值模擬的方法對不同出口角度下的渦環相關特性進行研究。

1.研究方法

本文采用仿真實驗對簡化的噴嘴出口射流的噴射過程、流場現象及尾渦環的發展變化進行了數值模擬，采用大渦模擬方法進行計算。

(1)計算方法和幾何建模

為進一步對渦環噴嘴進行研究，建立了如圖1所示的經簡化的二維噴嘴射流軸對稱幾何模型，該模型是由一錐形噴嘴簡化模型和水域組成，水域則簡化成一個長方形。入口直徑為D=5mm，出口直徑為d，為表征出口角度的不同對射流渦環造成的影響，定義K=d/D，此后選用不同的K值進行計算，本文對K值的選用分別為0.2、0.3、0.4、0.5，入口速度設置為0.15m/s。為保證噴嘴噴射來流的均勻性以及考慮到射流尾跡區的尾流能夠充分發展，再加消除邊界對渦環形成的影響，在該計算模型中選取噴管出口半徑為特征尺度，將整個長方形水域的長、寬尺寸確定為特征尺度的50倍、20倍，即取長方形水域的長和寬分別為62.5mm、25mm。

圖1 簡化噴嘴及外部流場模型

(2)無關性驗證研究

為驗證計算結果的準確性，需對計算模型進行網格無關性驗證和結果準確性驗證。

通過改變計算模型的網格數量來驗證不同網格計算的準確性，選用渦環速度環量Γ進行驗證，以此判斷網格的收斂性。為簡化處理，選用網格數量分別為105210、244649、407252。

由上述3組不同數量網格計算得到的Γ隨時間變化如圖2所示。由圖2可見，三組網格計算的Γ都隨著時間的變化而變化，曲線基本重合，僅N2的個別點有所偏移。為節省計算資源，選用較小的N1組進行后續計算。

圖2 不同網格條件下Γ隨t的變化規律

為驗證實驗結果準確性，圖3對比了相同條件下所模擬的射流渦環與Yu[7]的渦量圖。上方為模擬所得結果，下方為Yu通過實驗所得。由圖可見，二者的渦量圖基本吻合，主渦環及尾渦的趨勢具有一致性，因此本文所采用的計算方法準確性較高。

圖3 實驗結果渦量對比

2.結果與討論

(1)渦環的形成及其演化過程

在射流離開噴嘴出口，向外界流動的同時，由于噴嘴出口處結構的影響，導致流體形成剪切層并進一步演化發展成渦環結構。此后，主渦環將進一步發展，不斷地卷吸周圍流體，將其吸入渦環內，直到達到其最大卷吸能力后，渦環則會達到夾止狀態，此后渦環將不再繼續生成，接下來卷吸的流體將在主渦環的誘導卷吸下形成尾跡渦環。此處以K=0.4為例，分析渦環的形成及演化過程，并將由于K值不同所造成的結果進行分析。

K=0.4時渦環的演化過程如圖4所示。當t=2ms時，在出口附近的射流由于噴嘴出口的剪切作用，形成剪切層并開始卷起（見圖4（a））；此后射流繼續流動并卷起，在7ms時形成明顯的渦核結構（見圖4（b））；此后，渦環不斷卷吸后方來流以及周圍流體，渦環結構不斷增大，直到達到最大卷吸能力，無法再吸收外界流體，而由于渦環的卷吸能力，其后所吸收的流體將以尾跡渦的形式出現在主渦環的尾部（見圖4（c)）。當t=54ms時，主渦環將部分尾跡渦吸收，直到和尾跡渦分離（見圖4（d））。在K=0.3、0.5的條件下渦環的發展趨勢與K=0.4基本一致。而在K=0.2的條件下，情況則稍有變化。

圖4 K=0.4時渦環發展渦量圖

當K=0.2時，由于出口直徑的縮小，渦環的形成與發展都要明顯快于K=0.4的情況，主渦環僅在t=4ms左右便處于完全生長狀態。此后在渦環不斷發展的過程中，僅有主渦環所誘導的尾跡渦，而在噴嘴出口，僅產生了剪切層結構，但卻未進一步發展為渦環結構。這主要是由于出口直徑過小，出口處流速增大，剪切層形成時間過短而不足以產生渦環結構。

(2)出口角度對渦環重要參數的影響

本節主要分析出口角度與渦環的重要參數包括ω、rc及rr之間的關系。

①渦核內渦量分布

圖5 不同K值渦量分布曲線對比

渦量可以顯示出渦環對周圍流體的卷吸情況，通過對四種條件下處于完全生長狀態下的主渦環渦量進行對比，可以清晰地看出，不同K值下，渦環渦量的差距十分明顯，其大小隨K值的增大而不斷減小。這主要是由渦量得計算方法和流體速度所導致得。一般來說，某點的渦量大小是流體微團繞該點旋轉的平均角速度的兩倍，也是流體速度矢量的旋度。由于K值越大，出口直徑也越大，流體在出口的速度越小，這就導致了渦量的驟降。對于單個主渦環來說，渦環的卷吸能力往往比渦量的大小更為重要，通過實驗發現，在K=0.4的條件下，主渦環的卷吸能力最佳。

②渦環半徑和渦核半徑

本文參考了Norbury[8]對于渦環半徑的分類，以此來界定渦環的直徑及渦核直徑。取渦量絕對值最大的兩點間距離的一半定義為渦環半徑（rc），而渦核半徑（rr）則通過渦核速度分布的最大與最小值距離所確定。兩半徑隨K值的變化如圖6所示。由圖可見，渦環半徑rc的曲線增長趨勢較為規律，基本與K值成正比。隨著出口直徑的不斷增大，渦環在出口處所能夠剪切成的渦環結構也就越大。而渦核半徑的增長規律則稍有不同，可以看到，渦核直徑的增長隨著K值的增大并不規律。說明K值會對渦核的形成造成影響，而對渦環半徑則無特殊影響。在K處于0.2至0.3之間，rc反而減小，說明此時K對渦核的形成影響較大，而在K＞0.4后，rc逐漸增大。因此可以認為，K對rr、rc的影響較大，尤其是對rc影響較大，且四種條件下，K=0.4所產生的渦核增長速率最大。

圖6 rc及rr隨K的變化情況

③渦環壓力場變化

圖7為渦環處于完全發展狀態下的流場壓力云圖分布，由圖可以看出，在4種K值條件下，渦核中心區域均出現了相對較大的負壓區，其負壓區位置與渦核中心區域基本重合，符合渦結構規律。其中，在K=0.4與K=0.5條件下，渦環的壓力分布基本一致，均產生了弓形壓力波，其產生的主要原因來自兩方面：一方面是由于噴嘴出口的剪切層導致其出口處附近產生了較大壓力，另一方面是由于渦環自身的連續卷吸特性，導致渦環前方壓力增大并產生壓力波，從而使得流體能夠源源不斷地被吸入渦環結構中。在K=0.2時，渦環已遠離噴嘴出口，此時可見僅在主渦環前方存在較大的壓力波動，而其后方的壓力波則是由后方誘導卷吸形成的尾渦環的卷吸所造成的。因此可以認為，渦環由于自身卷吸特性，會使其前方產生壓力波；該壓力波的形成與渦核自身結構有關。渦核半徑，即rr越小，所產生的前方壓力波也就越小；rr越大，前方壓力波也就越大。而渦環后方的壓力波的來源主要有兩種：一種是由后方誘導渦環的前方壓力波所組合而成，稱之為組合壓力波；另一種是由噴嘴出口處的剪切層所貢獻的，稱之為剪切壓力波。二者不會同時出現，其出現形式主要與渦環和噴嘴之間的距離所決定，經多組實驗數據測定，一般當渦核與噴嘴出口之間的距離（Lc）與渦環直徑（Dr）之比大于2時不會產生剪切壓力波。

圖7 不同K值下渦環壓力云圖對比

3.結論

本文結合數值模擬手段求解不同出口角度下噴嘴渦環的相關特性，計算結果與文獻的相關實驗結果相符合；分析不同出口角度下渦環的演化過程；給出了不同出口角度下渦環演變發展狀態不同的解釋；并分析了不同出口角度對渦環參數的重要影響，為進一步研究射流渦環噴嘴奠定了基礎。研究主要得到以下結論：

（1）在入口條件一定的情況下，改變出口大小（K值）對渦環發展的影響較小，僅在K值小于0.2時，對尾跡渦的生成造成影響；

（2）在產生的渦環中，K=0.4時所產生的渦環渦量分布曲線斜率較大、渦量更為集中、渦核成長均勻、且結構更加穩定；

（3）相同條件下，K=0.4時渦核直徑最大，對于同等工況下，選用K=0.4類型的噴嘴所產生的渦環影響范圍更大。