带整流管炮杆的射流特性研究

于兰英，朱博垚，柯 坚，王国志，吴文海

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

0 引言

利用高压水对接触网绝缘子进行定期冲洗是避免铁路接触网绝缘子污秽闪络的有效措施。KJ系列电气化铁道绝缘子带电水冲洗装置利用列车运行间隙实现带电冲洗作业，极大提高了工作效率，大幅减低了劳动强度。喷嘴的结构直接影响了冲洗效果。喷嘴要求水柱核心段长，水流出喷嘴后不散射，减少水流的湍流强度，从而提高冲洗打击力。

炮杆是对喷嘴进行安装固定的连接件，由于前端弯头比较多，炮杆也是水介质整流的重要装置。本文以水冲洗装置用炮杆为对象，研究带整流管炮杆对水射流湍流强度的影响。

1 炮杆结构

炮杆前端与喷嘴相连，后端与水管相连，结构如图1所示。普通炮杆和带整流管炮杆的结构如图2所示。

图1 喷嘴整体结构图

图2 炮杆结构图

圆管中的层流可视为许多无限薄的同心圆筒层;整流管就是许多金属薄壁管点焊在一起的筒层。

2 仿真建模

2.1 网格划分

使用Fluent前置处理软件gambit建立整流管喷嘴的内外部流场的3D模型，喷嘴外部流场长700 mm，如图3所示。以喷嘴右边端面中心为原点，Z轴正方向为流体射入方向。

图3 喷嘴网格模型

2.2 边界条件设置

仿真采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型。

1)喷嘴介质为普通自来水，密度为998 kg/m3，粘度1.003×10-3Pas。空气密度1.225 kg/m3，粘度1.789×10-5Pas;

2)入口边界条件为压力入口边界，出口边界条件为压力出口边界，0 MPa(即大气压);

3)湍流参数选择为湍流强度和水力直径。其中湍流强度可以用下面的公式来估算:

I=0.16(ReDH)-1/8

式中，Re是雷诺系数，下标DH是水力直径，它等于4倍的流通面积比上湿润周长;

4)固体壁面无滑移，射流速度垂直于入口。

3 结果与分析

3.1 整流管数量对喷嘴射流的影响

选取整流管数量分别为9根和12根的炮杆喷嘴与普通炮杆连接的喷嘴进行对比。整流管长度为300 mm，进口压力为1 MPa，出口压力为大气压;计算结果如图4所示。

图4 整流管数量对速度的影响

由图4可知，流体经收缩段后速度急剧增加，流体离开喷嘴后，随着流体距出口距离的增加，流体在轴线上速度开始缓慢减小。整流管炮杆对流体速度有较大增大，其中12根整流管炮杆喷嘴的射流速度最大，普通炮杆喷嘴的速度最小。表1为普通炮杆喷嘴和整流管炮杆喷嘴在喷嘴出口和距离喷嘴出口700 mm处轴心速度的对比。

表1 轴心线上速度对比

由表1可知，由于整流管的整流作用，减小了流体的能量损失，使流体速度减小变缓:12根整流管喷嘴流体的速度减小率为1.94%，而普通炮杆喷嘴的射流速度减小率为3.15%。

图5为不同数量整流管喷嘴的轴心线上湍流强度曲线。加入12根整流管的炮杆流体从喷嘴入口端开始湍流强度有明显的下降，整流效果明显，9根整流管炮杆的喷嘴在喷嘴出口300 mm～700 mm处整流效果较好，而700 mm后12根整流管炮杆喷嘴的整流效果较好。

由图6可知，整流管炮杆喷嘴能增加流体动压，整流管数量越多，射流动压越大。其中12根整流管喷嘴流体的动压较大，水射流射程更远。

图5 整流管数量对湍流度的影响

图6 整流管数量对动压的影响

图7 整流管长度对速度的影响

3.2 整流管长度对喷嘴射流的影响

由3.1可知，整流管对流体有较好的整流作用，增大了流体速度并且增加了射程。保持进口压力为1 MPa，出口压力为大气压，整流管数取12根，炮杆前端长度不变，对整流管长度分别取200 mm、250 mm、300 mm和350 mm。图7为不同整流管长度炮杆喷嘴的速度分布图。

表2 不同整流管长度的速度对比

由表2可以看出，当整流管长度不同时，在轴心方向喷嘴出口和距离喷嘴出口700 mm处速度差别较小，其中300 mm长时速度略大。

由图8可以看出，不同长度整流管炮杆的喷嘴轴心线上湍流强度随着长度的增加而减小，若要降低射流的湍流度，可以在设备尺寸允许的情况下适当增长整流管长度。

图8 整流管长度对湍流度的影响

由图9可知，水射流流体的动压基本一致，其中300 mm长时动压较大，表明整流管的长度对水射流的影响较小。

图9 整流管长度对湍流度的影响

3.3 整流管形状对喷嘴射流的影响

保持进口压力为1 MPa，出口压力为大气压，整流管数量12根，取整流管长度为实际应用中的300 mm，对整流管形状分别取圆柱体和六面体。图10为不同形状整流管炮杆喷嘴的速度分布。

图10 整流管形状对速度的影响

图11 整流管形状对湍流度的影响

图12 整流管形状对动压的影响

由图10可知，圆柱体形状的整流管炮杆的喷嘴射流速度更大。

由图11可知，流体在喷嘴内湍流度变化不大，但是在喷嘴出口处六面体形状的整流管炮杆喷嘴湍流度增大较快，在喷嘴出口700 mm处两种喷嘴的流体湍流度基本一致。

由图12可知，圆柱体形状的整流管炮杆的喷嘴动压更大，流体射程更远。

4 结论

1)整流管炮杆的喷嘴具有提高轴心线上流体速度、减小流体湍流强度的效果，从而提高有效射程。

2)炮杆中整流管长度对喷嘴轴心线上速度和动压影响较小，但对喷嘴轴心线上湍流强度影响较明显，长度越长整流效果越好。

3)炮杆中整流管的形状对流体的速度、湍流度和动压均有较小影响，其中圆柱体形状的整流管炮杆射流效果较好。

4)对于讨论的喷嘴，整流管数量为12根，长度为300 mm，整流管形状为圆柱体时整流效果最好。

［1］ 尹久红，刘桓龙，秦剑，等.低压空化射流喷嘴进气结构研究［J］.液压与气动，2012(11):38-41

［2］ 韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2004

［3］ 宋秋红，夏泰淳，王世明，等.工程流体力学［M］.上海交通大学出版社，2012

［4］ 唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册［M］.北京:人民邮电出版社，2013，4

［5］ 王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004

［6］ 闻德荪，黄正华，高海鹰等.工程流体力学［M］.北京:高等教育出版社，2010