喷嘴结构对水力空化倒药中空化现象的影响研究

满海涛，罗兴柏，丁玉奎，方文改，闫青春

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.72373部队，河南洛阳 471900）

喷嘴结构对水力空化倒药中空化现象的影响研究

满海涛1，2，罗兴柏1，丁玉奎1，方文改2，闫青春2

（1.军械工程学院，河北石家庄 050003；2.72373部队，河南洛阳 471900）

喷嘴是产生空化的主要元件，研究分析喷嘴的结构对空化产生的影响，对提高空化作用效率具有十分重要的指导意义。为探索设计应用于倒空的喷嘴结构对空化流场的影响，本文基于FLUENT软件，对不同结构喷嘴内外的空化流场进行仿真模拟，对比分析流场的速度、汽含率及湍动能的分布规律，分析不同喷嘴结构对空化现象的影响，初步选定适合装药倒空的喷嘴结构，为以后的倒药试验提供一定的理论依据。研究结果表明不同结构喷嘴都发生了明显的空化现象，自激喷嘴和双锥度喷嘴在喷嘴出口段空化现象明显，具有较长的空化区域，比较适合用于水力空化技术倒空弹丸装药研究。

喷嘴；水力空化；仿真；倒药

1 引 言

空化是指温度一定，流体内部压力降低到饱和蒸汽压时，开始汽化，发生空化泡初生、膨胀、收缩及溃灭的空化现象。空泡溃灭瞬间，产生的冲击波或微射流对装药表面有强烈的冲蚀破坏作用［1］。研究表明［2］，在相同泵压下，空化射流的冲击效果远优于高压连续水射流，其产生的压力是连续射流冲的8.6－124倍，且发生装置简单，R.E.Kohl将空化现象应用于水射流中。在应用实践中发现，淹没条件下空化射流可达到更好的冲蚀效果，A.L.Licharowice通过实验，证明冲蚀效果是同等条件下非淹没条件下的2倍。自此，人们对淹没条件下的水力空化射流开展了研究，尤其是在不同应用领域空化喷嘴的设计及优化。由于角型喷嘴和自激振荡喷嘴加工工艺简单，容易控制上下游压力差，得到了广泛应用，Leach和Walker［3］等人对角型喷嘴的结构进行了研究，认为最佳结构为喷嘴入口椎角为13.5°，衔接一段长度为2.5倍喷嘴直径的直孔（即喷嘴的喉部），Katsuya Yanaida［4］等人对喷嘴扩散角对空化流场的影响进行了系列试验研究，表明扩散角在60°时产生的空化效果最好。国内，张凤华［5］教授对角型喷嘴进行了研究，表明收缩扩散型喷嘴的空化效果最好。沈忠厚［6～7］等在石油钻井应用中，指出自激振荡喷嘴具有很好的空化效果。典型的角型喷嘴、自激振荡结构如图1所示。

图1 喷嘴结构图Fig.1 Nozzle structure

喷嘴的直径小，且空化是瞬时复杂的过程，很难用试验手段对喷嘴内部空化进行观察，只能对空化喷嘴的作用效果进行试验研究，浪费了大量的时间和资源。在已有空泡运动学基础上，Singal等人对水射流中的空化现象进行了数值分析，建立了完全空化模型，基于FLUENT软件，对喷嘴内外流场的空化场分布进行了仿真模拟［8］。卢玉义［9］等利用标准k－ε模型、RNG k－ε模型和Realizable k－ε模型对喷嘴内部流场进行了仿真模拟，表明RNG k－ε模型适合角型空化喷嘴，并用试验进行了验证。韩冰［10］等利用RNG k－ε模型，采用SIMPLEC算法对空化流场进行了数值模拟，并利用试验对冲击压力场的分布进行了研究，验证了仿真模型的正确性。

目前，空化喷嘴的设计主要在石油钻井、材料表面强化及污水处理等应用领域，对弹丸装药倒空领域还未见报道。因此，本文拟利用FLUENT软件，采用混合模型（Mixture Model）和完全空化模型，选择适合角型喷嘴的RNG k－ε湍流模型和SIMPLEC算法，对设计的三种适合于弹丸倒空的喷嘴内外空化流场进行仿真分析，探索不同喷嘴结构对弹丸倒空中空化流场的影响规律，这不仅对水力空化技术倒空试验具有一定指导，而且也为装药倒空组合喷嘴的实际应用设计优化提供了可行方法。

2 装药倒空喷嘴设计

空化喷嘴是空化产生的执行元件，合理的喷嘴结构不仅可以保证空化的强度，也可保证倒空设备的安全运行。因此，空化喷嘴的设计结构应该尽量简单、易于安装拆卸和维护。

淹没条件下，空化喷嘴的设计应尽量诱使空化泡在装药表面附近溃灭，有一个完整的发展过程。在已有喷嘴设计的理论基础上，对典型角型喷嘴进行了改造设计，提出了双锥度缩放型喷嘴的设计理念，具体的喷嘴结构如图2所示，结构参数如表1所示。

3 仿真模型建立

本文利用二级迎风格式对物理模型进行离散，并选取合适的松弛因子使计算有效收敛，对喷嘴的空化流场特性进行仿真模拟。

3.1 网格划分

图2 喷嘴结构图Fig.2 Concrete nozzle structure

表1 喷嘴结构参数Tab.1 Nozzle structural parameters

物理模型由喷嘴、空化容器组成，如图3所示。模型轴对称，选取1／2模型进行网格划分。利用Gambit前处理软件，对物理模型进行离散化，采用结构化网格，对喷嘴入口、出口处局部细化，喷嘴的网格划分，如图4所示。文献［11］利用三种尺寸网格对近壁面的汽含率进行计算，结果表明网格数大小对计算结果影响很小。因此，网格的划分只要能满足计算要求即可，本文单锥度喷嘴共划分61 026个网格，双锥度共划分27 966个网格，自激喷嘴共划分35 004个网格。

图3 物理模型图Fig.3 Physicalmodel

图4 喷嘴网格划分Fig.4 Nozzle grid division

3.2 模型选择［12］

3.2.1 多相流模型

FLUENT软件中的多相流模型，主要有VOF模型、混合模型和欧拉模型三种。VOF模型用于各相互不相容界面间的表面追踪方法，而空化模型是基于各相之间相互贯穿的连续性假设，故VOF模型与空化模型不能同时使用。欧拉模型虽然计算精度高，但是稳定性较差。混合模型（Mixture Model）是一种简化的多相流模型，基于N－S方程进行求解。综上所述，本文选用混合模型结合空化模型对三喷嘴内外流场进行仿真。

3.2.2 空化模型

本文选用Singal等人提出的完全空化模型，利用汽体的输运方程求解汽体的质量分数f，方程为：

式中：ρ为混合密度；V为汽相速度矢量；γ为有效转换系数；Re和Rc为汽体生产和凝结的相变率。

当p＞pv时，

当p＜pv时，

式中：pv为实际工况温度下的饱和蒸汽压；Vch为特征速度；σ为表面张力系数；Ce和Cc为经验常数，通常取0.02和0.01。

3.3 控制方程

本文采用SIMPLEC算法进行求解，方程为：

3.4 边界条件

根据实际工况和物理模型，设置边界条件：

（1）入口施以压力入口，压力为12 MPa，缩放型喷嘴入口直径为10 mm，自激喷嘴为5 mm；

（2）出口施以压力出口，压力为大气压，出口直径为2 mm；（3）采用标准壁面函数，壁面光滑无滑移；（4）过程不发生热量交换，不考虑能量方程，水温恒为20℃。

4 不同结构喷嘴内外空化流场特性研究

4.1 速度场的分布

对不同结构喷嘴在入口压力为12MPa时的速度场进行了数值仿真，速度云图如图5所示，在轴向方向速度散点分布如图6所示。

通过图5可以看出，水力空化射流速度在喷嘴喉部达到最大值（图中红色区域），存在等速流核区，这与淹没射流理论是相符的［13］，这也验证了仿真模型的正确性。在垂直于轴线方向的速度梯度变化明显，在等速流核区末尾，流场的速度迅速降低。

图5 不同结构喷嘴速度场分布图Fig.5 Velocity field distribution of nozzle w ith different structure

图6 轴向方向速度散点分布Fig.6 Distribution of axial velocity dispersion

由图6可以看出，喷嘴的速度场分布大致是一致的，速度的极值大小基本相等，在喷嘴收缩段存在较大的速度梯度。单锥度喷嘴的速度核心区要长于其他两个喷嘴。在喷嘴出口外的流体流场，自激喷嘴的速度要大于缩放型型喷嘴，双锥度喷嘴要大于单锥度喷嘴。随着喷嘴喉部长度的改变，自激喷嘴和双锥度喷嘴的流场速度极值逐步向喷嘴出口方向移动，在距离喷嘴出口30mm左右各结构喷嘴的速度基本相同。

4.2 汽含率的分布

流体发生空化现象时，必然产生空化泡，则会有汽体组分的存在。汽含率就是汽体在流体中所占的体积分数，汽含率越高，流体中空化泡所占的体积分数也越高，空化现象也就越强烈，故可以用汽含率标定空化的强度。不同喷嘴内外部流场汽含率分布如图7所示。

图7 汽含率分布规律Fig.7 Cavity density distribution

通过图7可以看出，在喷嘴的截面积发生突然变化的地方都发生了明显空化现象，在靠近喷嘴壁面的地方空化强度更强，这与文献［14］的结果是一致的，说明设计的空化喷嘴在给定的工作条件下，均能有效的发生空化现象，也验证了数值仿真的正确性。而且自激喷嘴的汽含率分布最为集中，缩放型喷嘴汽含率分布相对分散，双追度喷嘴和自激喷嘴在喷嘴出口处发生了强烈的空化现象。

通过仿真结果可以看出，喷嘴的结构对汽含率的分布有比较大的影响。双锥度的设计，使得流场逐步向喉部过渡，到喷嘴扩张段，喷嘴截面积发生突然变化，增加了射流的出口面积，加速了射流与静态水的剪切涡流，促使了静态水中空化的产生。

4.3 湍动能的分布

湍动能代表流体的紊乱程度。淹没条件空化射流的冲蚀效果之所以好于非淹没射流，是由于高速度的空化射流射入静止流体后，在流体中形成了强烈的湍流，由于流体的剪切作用，引起了空化现象的发生，加剧了流场的空化强度。流场中，不同结构喷嘴的湍动能布规律如图8所示。

图8 不同结构喷嘴湍动能分布Fig.8 Turbulent kinetic energy distribution of nozzle w ith different structure

通过图8可以看出，流场区域内都有一个湍动能极值，单锥度喷嘴的湍动能极值最大，自激喷嘴和双锥度喷嘴极值基本相同。喷嘴出口处以后单锥度喷嘴，衰减速度最快。不同喷嘴的湍动能极值位置为：单锥度喷嘴在轴向7mm左右，双锥度喷嘴在10mm左右，自激喷嘴大概在15mm左右。在喷嘴出口处以后，自激喷嘴的湍动能要大于缩放型喷嘴。

通过仿真结果可以看出，喷嘴喉部的长度对空化区域的分布有一定的影响。三种喷嘴的喉部长度大小为：自激喷嘴＜双锥度喷嘴＜单锥度喷嘴，随着喷嘴喉部长度的缩短，空化现象逐步向喷嘴出口处游移，而且湍流区也越来越长，空化的作用区域也越长。

5 结 论

（1）喷嘴结构对流体空化的产生及分布有比较大的影响，设计的喷嘴在给定的条件下都产生了明显的空化现象；

（2）双锥度喷嘴的空化效果优于典型的单锥度喷嘴，在喷嘴出口处产生了明显的空化现象；

（3）自激喷嘴的空化区域相对集中，缩放型喷嘴则相对分散，扩散角的改变对空化强度有一定影响，本文中自激喷嘴出口处空化强度要好于缩放型；

（4）对于倒空装药，初步选定双锥度缩放型喷嘴和自激喷嘴，用于后续装药倒空试验。

（5）倒空中最佳喷距双锥度喷嘴在10mm左右，自激喷嘴在15mm左右。

［1］ 王献孚.空化泡和超空化泡流动理论及应用［M］.北京：国防工业出版社，1996.

WANG Xianfu.Cavitating and supercavitating flows theory and applications［M］.Beijing：Nation Defense Industry Press，1996.

［2］ 李锋.空化水射流船舶清洗技术的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

LI Feng.Study of ship cleaning technology based on cavitating water Jet［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2009.

［3］ Leach S J，Walker G L.The Applycavition of High Speed Liquid Jet to Cutting［J］.Phil.Trans.A，1965，260.

［4］ Yanaida K.Water jet cavitation of submerged horn sharped nozzles.Proc.3rd USWater JetConference.Los Angeles：［Sn］，1985［C］.

［5］ 张凤华，唐川林，杨林等.空化喷嘴出口形状的研究［J］.流体机械，2004，32（1）：25－28.

ZHANG Fenghua，TANG Chuanlin，YANG Lin，et al.Investigation of cavitating nozzle with convergingdiverging exit［J］.Fluid Machinery，2004，32（1）：25－28.

［6］ Shen Zhonghou，Li Gensheng，Zeng Chunyuan.Experimental study on Rock erosion by self-resonating cavitating jets［J］.Int Water Jet，Symp.Beijing，Sept1987.

［7］ 李根生，沈忠厚.常压淹没自激空化射流冲蚀岩石的试验研究［J］.华东石油学院学报.1987，22（4）：23－26.

LIGensheng，SHEN Zhonghou.Experimental study on the erosion of self excited cavitation jet by atmospheric pressure［J］.Journal of East Petroleum Insitute，1987，22（4）：23－26.

［8］ 韩占忠.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，2013.

HAN Zhanzhong.Fluent-examples and application of fluid engineering simulation［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2013.

［9］ 卢义玉，王小川，康勇，等.缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值模拟［J］.中国石油大学学报，2009，33（6）：57－60.

LU Yiyu，WANG Xiaochuan，KANG Yong，et al.Numerical simulation of cavitation jet flow field generated by a scaled nozzle［J］.Journal of China University of Petroleum，2009，33（6）：57－60.

［10］ 韩冰.空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟和实验研究［D］.辽宁：辽宁科技大学，2012.

HAN Bing.Numerical simulation and experimental study on cavitation behavior of water jet peening process［D］.Liaoning：University of Science and Technology Liaoning，2012.

［11］ 杨春敏.空化射流喷丸对金属表面性能强化影响的试验研究［D］.徐州：中国矿业大学，2014.

YANG Chunmin.Experimental study on the influence of cavitation jet shot peening on mental surface properties［D］.Xuzhou：China Mining University，2014.

［12］ 王福军.计算机流体动力学—CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

WANG Fujun.Computer fluid dynamics-principle and application of CFD software［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2004.

［13］ 崔谟慎，孙家俊.高压水射流技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1993.

CUI Moshen，SUN Jiajun.High pressure water jet technology［M］.Beijing：Coal Industry Press，1993.

［14］ Akira S，Shigeo H，Akio T.Effects of cavitation in a nozzle on liquid jet atomization［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，50（17－18）：3575－3582.

满海涛 男（1987－），山东滕州人，硕士生，主要研究领域为弹药销毁及其再利用研究。

罗兴柏 男（1962－），安徽芜湖人，教授，博士生导师，主要研究领域为弹药系统设计与试验评估。

Research on the Effect of Nozzle Structure on Cavitation Phenomenon of Explosive Removal using Hydrodynam ic Cavitation

MAN Haitao1，2，LUO Xingbai1，DING Yukui1，FANGWengai2，YAN Qingchun2

（1.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；2.No.72373 Unit of PLA，Luoyang 471900，China）

Nozzle is themajor component to trigger cavitation phenomenon.For the nozzle structure has an effect on the cavitation producing，the related study has particular significance to improving the cavitation efficiency.In order to explore the influence on the structure of the nozzle that used on the explosive removal.The cavitation flow fields of three type of nozzle included single cone angles convergent-divergent nozzle，double cone angles convergent-divergent nozzle and self-excited nozzle are simulated using FLUENT software.Through analyzing the velocity of flow field，cavity density and distribution of turbulent kinetic energy，and discussing the effect of different types of nozzle on cavitation phenomenon，the nozzle structure which is fit for explosive removal is selected，which provided a theoretical basis for explosive removal experiment.The results show that obvious cavitation phenomenon occurs utilizing all of these nozzles.The nozzle exit areas of self-excited nozzle and double cone angles nozzle appear obvious cavitation phenomenon and w ide cavitation area，and therefore these two nozzles are suit for explosive removal using hydrodynam ic cavitation.

nozzle；hydrodynam ic cavitation；numerical simulation；explosive removal

TJ 410.89

A