基于正交試驗法的鋁合金車體高壓水清洗噴嘴結構優(yōu)化

孫 浩, 欒 鋒, 馮樂樂, 趙 鵬, 陳蕭陽, 張 軍

(1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司物流分公司, 河北滄州 062350;2.國能鐵路裝備有限責任公司滄州機車車輛維修分公司, 河北滄州 061113;3.北京建筑大學北京市建筑安全監(jiān)測工程技術研究中心, 北京 102616)

引言

重載鐵路鋁合金車體在運輸過程中由于煤粉、抑塵劑、防凍液、水、油等物質(zhì)在車體表面聚集,形成復雜的化合物黏著在鋁合金車體上,隨著鐵路貨運量的逐年增加,車輛表面污染問題也愈加突出。清除車體表面污染是車輛檢修過程中的重要環(huán)節(jié),鋁合金材料由于本身材料的特殊性,在其表面存在一層致密氧化膜,氧化膜的存在使其車體具有一定的抗腐蝕性,如何在不損壞氧化膜的情況下提高車體清洗質(zhì)量是一大難題。

噴嘴結構是清洗裝備中的關鍵結構件,目前主要的噴嘴類型有圓柱形噴嘴、扇形噴嘴和異形噴嘴[1]。影響噴嘴射流效果的因素主要有噴嘴類型、噴嘴壓力和噴嘴尺寸等。劉庭成等[2]對噴嘴的使用場合和結構參數(shù)進行了分析,發(fā)現(xiàn)射流壓力和流量的增加都會使噴嘴出口射流打擊力增加,噴嘴孔數(shù)的增加會使得每個噴孔的流量減少,噴嘴出口射流的最大打擊力和打擊面積也隨之減少要實現(xiàn)最佳性價比,噴嘴的射流壓力需要根據(jù)清洗機所需進行合理匹配。沈銀華等[3]根據(jù)實驗條件提出了角形噴嘴的數(shù)學模型,并建立了角形噴嘴的有限元模型,確定了噴嘴的擴散角度、擴散長度等對角形噴嘴的射流動力特性的影響。王國輝等[4-6]采用VOF法對噴嘴霧化性能進行仿真,得出旋流槽、擴張角、旋流室與出口段直徑比、旋流室錐角等的影響規(guī)律。JENG S M等[7-8]采用有限體積公式的任意拉格朗日-歐拉數(shù)值方法研究內(nèi)部流動特性,對霧化器的幾何參數(shù)進行了研究,發(fā)現(xiàn)漩渦室的長徑比、噴嘴錐角、出口直徑均對霧化器的性能會產(chǎn)生影響,且流量系數(shù)隨霧化器常數(shù)的增大而增大。李震等[9]用單因素法研究了影響錐直形噴嘴射流的因素,通過分析不同參數(shù)下的軸向速度值得出收縮角、長徑比、收縮段長度及噴嘴直徑都對射流流場有較大的影響。

YANG Yousheng等[10]針對容積泵噴水推進噴嘴進行了優(yōu)化研究,通過優(yōu)化噴嘴的反作用推力函數(shù)式對噴嘴進行優(yōu)化設計,在水射流反應推力模型中充分考慮能量損失,優(yōu)化后的噴嘴具有良好的抗氣蝕性能,優(yōu)化后噴嘴中等水蒸氣體積比僅為9.2%,遠小于圓柱形噴嘴(61.8%)和錐形噴嘴(99.5%),優(yōu)化后噴嘴能量損失小,具有較好的抗空化能力。于洪等[11]采用正交試驗對影響噴嘴出口速度和動壓的4個主要結構參數(shù)優(yōu)化,得到噴嘴的收縮角和最大噴嘴出口水平過渡段對噴嘴的性能影響最大。任禮等[12]將噴嘴流道直徑、收縮角、噴嘴溫度等作為試驗變量,基于正交試驗確定三因素作用下的優(yōu)化指標變化規(guī)律,用遺傳算法求解多目標優(yōu)化問題,發(fā)現(xiàn)噴嘴流道直徑為1 mm、收縮角為30°且在200～210 ℃工作時,能實現(xiàn)較優(yōu)指標的3D打印效果。楊蒙等[13]基于正交試驗對不同結構參數(shù)的噴嘴進行數(shù)值模擬,得到了新型參數(shù)的最佳結構參數(shù)組合,優(yōu)化后噴嘴出口均勻度提高了9.69%,達到了改善混合目標的目的。高強等[14]對噴嘴流場進行了仿真,對噴嘴的收斂角、過渡圓弧半徑、整流段長度進行三因素水平組合的優(yōu)化設計,發(fā)現(xiàn)這三個因素的相互作用是影響私料出口速度的重要因素,收斂角越小、過渡圓弧半徑越大,噴嘴出口速度越穩(wěn)定。易燦等[15]對前人對于高壓水射流的研究進行了總結,得出相關學者主要都從理論分析、數(shù)值模型計算和實驗三方面展開研究,發(fā)現(xiàn)噴嘴結構對射流的流動特性、沖蝕性能和空化現(xiàn)象等都會產(chǎn)生重大影響。

目前,射流清洗在洗煤、清洗管壁、高壓水切割等應用中的研究較多,雖在鐵路車輛的清洗中也有應用,但是鋁合金車體表面存在的氧化膜導致鋁合金車體清洗過程的清洗壓力不能過大,且清洗壓力不能對車體結構穩(wěn)定性造成影響,需要對鋁合金車體表面清洗場景中適用的噴嘴結構形式進行選擇及優(yōu)化。本研究根據(jù)現(xiàn)有的射流清洗參數(shù),在Fluent有限元軟件中建立高壓水噴嘴射流兩相流數(shù)值模型。對比分析相同清洗工藝參數(shù)下4種常見噴嘴結構的射流速度及清洗范圍,再應用正交設計的方法對噴嘴結構進行尺寸優(yōu)化,分析不同結構參數(shù)對噴嘴射流性能影響程度,得出適用于鋁合金車體表面清洗的最佳噴嘴結構參數(shù)。

1 建立噴嘴結構有限元計算模型

本研究采用Fluent仿真軟件,對圓柱形噴嘴、錐形噴嘴、文丘里噴嘴及余弦形噴嘴的高壓水射流流體力學特性進行數(shù)值分析。高壓水射流從噴嘴入射到周圍空氣流場,最后沖擊到車體壁上,因此該過程的計算域包括噴嘴結構和周圍空氣流場區(qū)域,以便于觀察整個射流過程中的動力學特征。最后對4種噴嘴結構射出流體的射流流場分布、射流出口速度、最大壁面靜壓、相同清洗寬度下壓力值范圍進行對比分析。

1.1 計算模型及邊界條件

按照實際的噴嘴結構建立仿真模型,噴嘴的進口直徑均設置為30 mm,噴嘴整體長度為50 mm,流體域尺寸為長400 mm×寬300 mm,清洗時噴嘴到目標清洗面的距離,即靶距為400 mm。4種噴嘴結構的平面圖及尺寸如下圖1所示。

圖1 噴嘴平面結構尺寸圖Fig.1 Plane structure size diagram of nozzle

仿真研究的噴嘴結構相對簡單,且呈軸對稱結構,故采用四邊形的結構化網(wǎng)格進行流場的劃分,以便提高Fluent中的運行計算速度。由于噴嘴結構尺寸小于空氣流場區(qū)域尺寸,因此對噴嘴結構進行網(wǎng)格加密設置,提高計算精度[16]。分別建立網(wǎng)格數(shù)量為1060,2080,3280的仿真模型,對這3種網(wǎng)格劃分設置相同的邊界條件進行仿真計算,比較射流后的最大壁面靜壓及出口速度值。發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格劃分為1060時,計算得出的最大壁面靜壓為7.76 MPa,出口速度為142 m/s。而當網(wǎng)格劃分數(shù)量為2080或3280時,二者得出的最大壁面靜壓在10 MPa左右、出口速度為143 m/s上下,且均優(yōu)于網(wǎng)格數(shù)量為1060時的計算結果。本研究建立模型劃分網(wǎng)格數(shù)為2080,在保證模型結果精確的情況下降低了計算成本。

網(wǎng)格劃分模型如圖2所示,其中AB設置為入口邊界,CE、DF、GH設置為壁面,EG、FH為壓力出口。入口壓力統(tǒng)一設置為10 MPa,出口壓力為0 MPa,整個噴嘴ABCD結構內(nèi)水的體積分數(shù)為1。

圖2 仿真模型網(wǎng)格劃分和邊界設置Fig.2 Meshing and boundary setting of simulation model

1.2 計算方法

高壓水在噴嘴及外部流場運動過程中處于湍流狀態(tài),因此仿真中采用SSTk-ε湍流模型,k為湍流動能,ε為動能耗散率。Fluent中SSTk-ε湍流模型的參數(shù)設置如圖3所示。

圖3 Fluent中SST k-ε湍流模型參數(shù)值Fig.3 Parameters of SST k-ε turbulence model in Fluent

整個計算域中流體為水和氣體兩相混合,初始狀態(tài)時噴嘴內(nèi)部水的體積分數(shù)為1,外部流場域中空氣的體積分數(shù)為1。采用 SIMPLEC 算法進行壓力耦合計算,在保持總壓和靜壓相同的條件下,對不同噴嘴的高壓水射流性能進行計算。計算總時間設定為1000 s,初始時間步長為0.0005 s,最大迭代步數(shù)設置為2000步,間隔100步保存一次計算結果。

2 噴嘴結構形式對射流效果的影響

2.1 射流流場分布

高壓水經(jīng)過噴嘴的收縮段逐漸加速,以較高的流速進入外部流場區(qū)域,進而沖擊作用于車體表面形成一個高速的小面積沖擊,實現(xiàn)清洗效果。圖4為4種噴嘴對應的水體積分布云圖,其中余弦形噴嘴、錐形噴嘴和圓柱形噴嘴的體積分布云圖大致相同,均在噴嘴出口處存在水流發(fā)散現(xiàn)象。

圖4 流場水射流分布云圖Fig.4 Cloud map of water jet distribution in flow field

余弦形噴嘴射流流線最集中,水流發(fā)散幅度最小,到達目標清洗面的水柱較為集中,錐形噴嘴出口處的發(fā)散射流段較長,且到達目標面處的水相也相對沒有余弦形噴嘴集中;圓柱形噴嘴出口處的射流段發(fā)散幅度較大,穩(wěn)定性較好,到達目標清洗面的水柱分散度較大;文丘里形噴嘴的射流流線呈現(xiàn)水泡狀且不連續(xù),不符合高壓水射流清洗的連續(xù)性要求。經(jīng)對比分析可知,余弦形噴嘴的流線相較于其他3種更加集中穩(wěn)定,其次為圓柱形噴嘴,對其他影響參數(shù)的研究需進一步討論。

2.2 射流速度分布

圖5為經(jīng)過不同結構噴嘴后的高壓水的速度云圖。可以得出經(jīng)過余弦形噴嘴、錐形噴嘴、圓柱形噴嘴的高壓水出射速度均較高,速度的大小幾乎一致,均為142 m/s左右。經(jīng)過文丘里形噴嘴的高壓水到達壁面的速度較低,約為113 m/s。對比發(fā)現(xiàn)當以相同壓力值入射時,余弦形、錐形、圓柱形噴嘴均具有良好的高速射流性能。

圖5 流場速度分布云圖Fig.5 Cloud map of flow field and velocity distribution

2.3 流場內(nèi)壓力分布

4種噴嘴射流模型得到的沖擊壓力如圖6所示,高速射流的水柱沖擊到預打擊面上,高壓有利于污物或塵埃的打擊脫落,預擊打面上受到的沖擊力對車體表面污染物的去除及車體表面的變形具有重要影響。4種噴嘴對應的打擊面處最大壓力分別為10.74, 10.71, 9.7, 3.8 MPa,鋁合金屈服應力為113 MPa[17],只有當表面所受壓力大于113 MPa時車體表面會發(fā)生塑性形變。文丘里形噴嘴的最大壓力出現(xiàn)在噴嘴中射流入射部分,文丘里形噴嘴在流場域中的壓力高于大氣壓,和其他3種噴嘴作用時效果不同,且目標面上壓力也較小,不滿足高壓水清洗射流要求。

圖6 流場壓力分布云圖Fig.6 Cloud map of pressure distribution in flow field

2.4 軸向壓力分布

提取4種噴嘴的軸向壓力如圖7所示,由散點圖可以看出經(jīng)過4種噴嘴的高壓水軸向壓力的走向趨勢大體一致,其中余弦形噴嘴到達目標清洗面時壓力值了最大,圓柱形噴嘴在射流到達目標面后才有明顯的變化,其余3種噴嘴均是壓力先減少,到達目標面后再增加。而文丘里形噴嘴除達到目標面時壓力值較小外,還會在噴嘴內(nèi)部出現(xiàn)負壓,高壓水射流效果相對較差。

圖7 軸線壓力分布云圖Fig.7 Cloud map of axis pressure distribution

射流產(chǎn)生的水流覆蓋面積是清洗效果的關鍵指標[18],取目標清洗面上中間60 mm的寬度,比較4種噴嘴作用于相同清洗寬度上的壓力值范圍,如表1所示,其中余弦形噴嘴的壓力為5.96～10.70 MPa,錐形噴嘴的壓力為5.31～10.70 MPa,圓柱形噴嘴的壓力為4.81～9.70 MPa,文丘里噴嘴的壓力為0.91～3.80 MPa。對比發(fā)現(xiàn)在相同清洗寬度內(nèi)余弦形噴嘴和錐形噴嘴的壓力值范圍大于其他2種類型噴嘴的壓力范圍,清洗效果更優(yōu),而文丘里結構噴嘴不適用高壓水射流清洗。

表1 4種類型噴嘴60 mm清洗長度下的壓力范圍Tab.1 Pressure range under 60 mm cleaning length of four types of nozzles

綜合水相射流流線、速度云圖、軸向壓力值和相同清洗寬度下壓力值范圍4個射流參數(shù)可得,在4種噴嘴類型中余弦形噴嘴的射流效果最好,適用于鋁合金車體的高壓水射流清洗。

3 噴嘴結構的參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化參數(shù)的選取

余弦形噴嘴的射流效果在4種噴嘴中效果最佳,通過正交試驗方法對余弦形噴嘴的結構尺寸進行優(yōu)化設計,以進一步提高射流清洗效果。余弦形噴嘴的主要尺寸參數(shù)有入口直徑D,出口直徑d,入射口余弦部分半徑R1,過渡段弧形半徑R2,出射段長度L1,以及噴嘴總長度L2。進出口直徑的改變對噴嘴射流的出射壓力與出射速度均有影響,而余弦半徑則是余弦形噴嘴較為重要的結構參數(shù)指標,象征著噴嘴結構對高壓水流通過的平滑度,余弦形噴嘴結構尺寸標注如圖8所示。

圖8 余弦形噴嘴結構尺寸圖Fig.8 Structure and size diagram of cosine nozzle

高壓水射流具有很高的壓力和很大的速度,通過噴嘴出射的高壓水射流產(chǎn)生的高速射流,具有極高的能級密度,水流具有極高的出射速度,水流高速的射出會在目標面時會產(chǎn)生巨大的壓力[19-20],故對噴嘴的射流性能進行優(yōu)化時以最大出射速度為優(yōu)化目標即可。

3.2 正交試驗及結果分析

正交試驗依據(jù)Galois理論從全面實驗中挑選出部分具有代表性的水平組合進行實驗,是一種能進行多因素研究的數(shù)理方法,最大程度上減小試驗誤差。正交試驗方法在節(jié)約試驗時間成本以及降低資源消耗方面具有明顯優(yōu)勢,故本研究應用正交試驗法對噴嘴的幾何結構進行優(yōu)化。

根據(jù)前人的相關研究[21],選擇噴嘴的入口直徑(A)、出口直徑(B)、過渡段半徑(C)、出射段長度(D)、過渡部分和余弦部分長度比(E)作為主要影響因素。利用五因素四水平正交試驗表對上述5個因素進行參數(shù)組合[22],根據(jù)前一章節(jié)的設置條件在Fluent中對不同結構尺寸噴嘴模型流場特性進行數(shù)值仿真分析。設定入口壓力分別為高壓水射流清洗中常用的10, 20, 40 MPa。高壓水射流的出射速度具有較大的能量,射流速度越高,動量越大,正在目標表面的撞擊力越大,故以噴嘴的出射速度為優(yōu)化指標。仿真結果如表2所示。

表2 正交試驗結果表Tab.2 Results of orthogonal test

通過極差法分析得到出射段長度對噴嘴射流最大出射速度影響最大,其次為過渡段半徑、入口直徑、出口直徑,影響最小的為過渡段和余弦形半徑的比例。在3種壓力下的水平最優(yōu)組合均為A3B1C2D3E3,即入口直徑為30 mm、出口直徑為20 mm,過渡段半徑為20 mm,出射段長度為25 mm,過渡段部分和余弦部分長度比為4(20:5)時,噴嘴的射流性能最佳。

按照最優(yōu)噴嘴參數(shù)進行建模,得出3組壓力值下的出射速度如表3所示。在優(yōu)化后的余弦形噴嘴結構參數(shù)下,高壓水出射速度比未優(yōu)化前提高了2%,且優(yōu)化效果隨著入口壓力值的提高而有所下降。后續(xù)將對噴嘴的最佳入射壓力與噴嘴結構參數(shù)的對應關系進行深入研究。

表3 3種壓力下正交試驗的優(yōu)化效果Tab.3 Optimization effect of orthogonal test under three kinds of pressure

3.3 優(yōu)化后噴嘴的射流參數(shù)

對優(yōu)化后的余弦形噴嘴進行建模,選擇不同的入射壓力和射流靶距進一步計算,探究在使用該種噴嘴時,達到較優(yōu)清洗效果時的入射壓力和靶距。入射壓力選擇5, 15, 25, 35 MPa,此時靶距為定值400 mm。得到的仿真結果如表4所示, 發(fā)現(xiàn)當壓力值為5 MPa和10 MPa時,射流到達壁面的最大靜壓值均大于入射壓力,當入射壓力大于10 MPa后射流達到清洗表面的壓力值反而小于入射壓力,表明在射流過程中能量損失較大。高壓清洗機的使用效果與清洗壓力的選擇密切相關,如果清洗壓力太小,就達不到清洗效果,若壓力過大,除了可能會造成清洗表面損壞外,還會造成水、電資源的浪費,結合仿真結果和實際清洗過程中的情況,選擇10 MPa作為清洗壓力,既能滿足清洗要求,又能節(jié)約清洗成本。

表4 不同壓力時的最大壁面靜壓值Tab.4 The maximum wall static pressure value at differentpressures

完成上述計算后,將入射壓力固定為10 MPa,接著將靶距設置為100, 200, 250, 300, 500 mm探究合適的射流靶距。得到6種靶距下的射流水相云圖如圖9所示。可發(fā)現(xiàn)隨著靶距的增加,在射流流場中水相的占比逐漸減小,射出的高壓水呈現(xiàn)出水、水霧混合的形式。要想實現(xiàn)較好的射流效果,需同時考慮射流流向和射流壓力等多種因素,在不同靶距下均能實現(xiàn)連續(xù)射流。

圖9 不同靶距下射流水相分布云圖Fig.9 Cloud map of phase distribution of injection water at different target distances

各靶距下最大壁面靜壓如表5所示,最大壁面靜壓先隨著靶距的增大而增大,當靶距為250 mm時,射流到達預清洗表面的最大壁面靜壓達到12.77 MPa,且此時射流相也呈完整水柱射出形式,表明此時射流能產(chǎn)生的清洗效果相對較好,隨后隨著靶距的增大減小。

表5 不同靶距時的最大壁面靜壓值Tab.5 Maximum wall static pressure value at different target distances

4 結論

本研究以鋁合金車體高壓水清洗機的噴嘴射流速度為優(yōu)化目標,運用Fluent軟件對不同結構參數(shù)的噴嘴進行了仿真分析,得到余弦形噴嘴結構的清洗射流效果最好,射流速度比常用的圓柱形噴嘴的射流速度提高19.97%。在此基礎上,基于正交實驗法,對余弦形噴嘴的結構參數(shù)進行優(yōu)化設計,得到對高壓水清洗射流影響最大的為出射段長度、其次為噴嘴的過渡段半徑;優(yōu)化后的余弦形噴嘴的最佳結構參數(shù)是:出口直徑為20 mm,入口直徑為40 mm,過渡段半徑為40 mm,出射段長度為25 mm,過渡部分和余弦部分長度比為4(過渡段長為20 mm,余弦段水平長度為5 mm)。按照最優(yōu)噴嘴結構參數(shù)進行建模,得到3組壓力值下高壓水出射速度比未優(yōu)化前提高了2%,且優(yōu)化效果隨著入口壓力值的提高而有所下降。當入射壓力為10 MPa,射流靶距為250 mm時清洗效果最好。