自带整流片的喷嘴结构研究

朱博垚，于兰英，刘桓龙，邓斌，柯坚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

利用压力水柱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。电气化铁道绝缘子带电水冲洗装备利用列车运行间隙实现带电冲洗作业，极大地提高了工作效率，大幅减低了劳动强度。该装备中，喷嘴的结构和加工精度直接决定了冲洗效果。喷嘴射流要求水柱核心段长，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。

文中以水冲洗装备用8 mm 喷嘴为对象，研究在喷嘴出口直线段增设整流片对射流效果的影响。

1 喷嘴结构

整流片喷嘴结构在普通圆锥收敛型喷嘴的出水直段中加设整流片，结构如图1 所示。整流片的分布与结构如图2 所示。

图1 自带整流片的喷嘴结构

图2 整流片的分布结构

2 仿真建模

2.1 网格划分

使用FLUENT 前置处理软件Gambit 建立整流片喷嘴内外部流场的3D 模型，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 喷嘴流场模型

2.2 边界条件设置

喷嘴内外部流场涉及到气体和液体的混合二相流，仿真采用VOF 多相流模型和RNG κ－ ε 湍流模型。

(1) 射流介质为普通自来水，密度为998 kg/m3，黏度为0.001 003 Pa·s。空气密度为1.225 kg/m3，黏度为1.789 ×10－5Pa·s;

(2) 采用压力边界条件，入口压力设为1 MPa，出口压力设为0;

(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:

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 整流片数量对喷嘴射流的影响

图4 不同整流片数的喷嘴速度分布图

整流片数量分别取3、4、5。取外流场长度1 000 mm，计算结果见图4。

由图4 可知: 流体经过收缩段后速度急剧增加，接近外流场出口壁时速度急剧下降至0。表1 为不同整流片数在喷嘴出口和距离喷嘴出口1 000 mm 处轴心速度的对比。

表1 不同整流片数的速度对比

由表1 可知: 随着整流片数的增加，出口段面积减小，在喷嘴出口处流体的速度也随之增加; 在距喷嘴出口1 000 mm 处，由于整流片的整流作用，减小了流体的能量损失，使流体速度减小变缓，但并不是整流片片数越多整流效果越好，其中速度减小率最低为4 片整流片的喷嘴，为2.39%，最高为3 片整流片的喷嘴，为3.81%。

图5 为不同数目的整流片喷嘴轴心线上的湍流强度。加入整流片后，在喷嘴出口段流体的湍流强度较低压圆锥收敛型喷嘴的湍流强度有了明显降低。随着整流片数目的增加，4 片整流片喷嘴的流体湍流强度最低，整流效果最好，水柱更集中，明显优于3 片整流片喷嘴和5 片整流片喷嘴。

由图6 可知: 4 片整流片喷嘴的动压最大，但3、5 片整流片喷嘴与原喷嘴相比动压较小。由表2 可知: 4 片整流片喷嘴流体压力值最大，射程最远。

图5 轴心线上水的湍流度图

图6 轴心线上动压曲线图

表2 不同整流片数的动压对比

3.2 整流片长度对喷嘴射流的影响

由第3.1 节可知: 当整流片数为4 片时具有较好的整流效果，并且射程最远。保持进口压力为1 MPa，出口压力为大气压，整流片数为4 片，分别取整流片长度21.4、15 和10.7 mm。图7 为不同整流片长度喷嘴的速度分布图。

图7 不同长度整流片喷嘴的速度曲线图

表3 不同整流片长度的速度对比

由表3 可以看出: 当整流片长度不同时，在轴心方向喷嘴出口和距离喷嘴出口1 000 mm 处速度基本不变。

由图8 可以看出: 不同长度整流片的喷嘴轴心线上湍流强度随着长度的减小而增大，特别是整流片长度从15 mm 减小到10.7 mm 时，湍流强度有较明显的增加，长度为21.4 mm 的整流片喷嘴整流效果最好。

由图9 可知: 不同长度整流片喷嘴在出口处动压几乎一致，但随着喷射距离的增加，在喷嘴出口500 mm 处，15 和10.7 mm 的整流片喷嘴动压开始减小，其中15 mm 整流片的喷嘴动压最小。由表4 可知，21.4 mm 长的整流片喷嘴水流具有较高压力，具有较远射程。

图8 轴心线上水的湍流度图

图9 轴心线上动压曲线

表4 不同整流片数的动压对比

4 结论

(1) 整流片喷嘴具有减小流体湍流强度的效果，可提高有效射程。

(2) 喷嘴中整流片数量对喷嘴轴心线上速度影响较小。

(3) 整流片的长度对喷嘴轴心线上速度影响较小，但整流片长度的减小会减小喷嘴的动压，导致喷嘴的射程缩短。

(4) 对于文中讨论的喷嘴，整流片为4 片、片长为21.4 mm 时整流效果最好。

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