异形中心体诱发空化射流的数值模拟研究

邓松圣，廖 松，于以兵，管金发

1 前言

空化水射流是一项近些年来兴起的新型高科技技术，具有高效、清洁、低成本、安全可靠等优点［1~5］。目前空化水射流的应用范围越来越广，比如在煤矿开采、船舶清洗、石油钻井、有毒物质降解等方面都有较为广泛的应用［6］。然而空化喷嘴的研究主要集中在自激振荡喷嘴［7,8］、角形喷嘴［9,10］，其研究在理论、试验和数值模拟方面都比较成熟。对于柱塞式中心体喷嘴，由于制造工艺等问题，对其空化水射流的研究和报道较少［8］。本文对一种新型中心体喷嘴的空化射流进行研究，根据绕流型空化原理探索中心体喷嘴空化射流产生的机理；可为中心体喷嘴的设计和优化提供依据，为空化射流实际应用于油罐清洗除锈提供一种新方式，提高作业效率和生产安全。

笔者提出将异形中心体与锥形喷嘴组合产生空化射流的思路，通过数值模拟来分析异形中心体形状产生空化射流流场的特性。由于空化射流产生的流场复杂，目前还不能够定量准确的测量分析空化流场的形态、空化效果所能扩散的距离以及空化与流场之间的相关性［9,10］。本文设计3种不同结构的中心体喷嘴:外喷嘴采用锥形喷嘴，中心体分别采用平头柱体、90°锥形柱体和半球形柱体。采用FLUENT软件，对设计的3种不同结构的中心体喷嘴射流流场进行数值模拟，通过数值模拟获得流场的关键参数分布，从而对3种不同中心体喷嘴的空化射流性能进行对比分析。

图1 中心体喷嘴结构和三种不同喷嘴内部结构示意

2 物理模型

通过将中心体与锥形喷嘴镶嵌组合，构造成含中心体结构的喷嘴，锥形喷嘴收缩角为150，出口段长度为6 mm，直径为4 mm，中心体直径为2 mm，中心体底端距喷嘴出口距离为1 mm，中心体和喷嘴壁面间的流道间隙都为1 mm，这样就保证了3种喷嘴在结构上只有中心体形状不同，喷嘴内部结构简图如图1所示。

3 数值计算

3.1 模型网格划分

计算流场区域包括喷嘴出口区域和一个相对于喷嘴较大的矩形区域。利用Solidworks建立二维喷嘴模型，导入到ICEM进行网格划分。因为计算区域成轴对称，为加速计算，计算模拟在射流半个纵向截面的求解域上进行；采用非结构化网格，由于在含中心体喷嘴出口区域，水与外界介质存在强烈的相互作用，在该处对网格进行适当加密处理，以促使计算迭代和得到理想的结果，网格划分如图2所示。

图2 流场计算网格图

3.2 数学控制方程

控制方程用有限体积法进行离散，模拟采用基于压力的求解器，压力速度耦合采用SIMPLEC的计算方法，离散格式采用二阶迎风格式；湍流模型选用Realizable 模型，多相流模型采用Mixture模型［14,15］。

混合模型的连续性方程为：

式中 ρm——混合物的密度

vm——混合物的速度

m——下标，混合物

混合模型的动量方程为：

空化气穴模型体积分数方程为：

式中 η——质量转换系数

αp——空泡体积分数

v ——下标，汽化水

3.3 边界条件

计算区域入口设为压力入口，压力大小为12 MPa，射流进口水流温度为300 K，水的饱和蒸汽压为3540 Pa，计算区域出口设为压力出口，压力大小为101325 Pa，在固壁上采用无滑移条件，近壁区采用标准壁面函数法，忽略重力作用。

4 数值模拟结果与分析

在相同的操作参数条件下，对3种不同中心体喷嘴射流流场进行模拟计算，模拟计算结构与分析如下。图3显示了3种不同中心体喷嘴的速度云图和喷嘴轴心处的速度。

图3 含3种不同中心体喷嘴的速度云图和喷嘴轴心处的速度

由图3可知：喷嘴内中心体前端速度为0，中心体前端附近速度出现波动，射流速度较小，速度最大为18.3 m/s，此时静压较大，这主要是因为流体绕过中心体底端时产生了回流，出现驻点，且回流慢慢向前延伸，引起速度波动，但幅度较小。平头柱体喷嘴的回流区域最大，90°锥形柱体喷嘴次之，半球柱体喷嘴最小。随着射流远离中心体，压能转换为动能，速度增大，半球柱体喷嘴在轴心上速度增加最快，90°锥形柱体喷嘴速度增加最慢，3种不同中心体的喷嘴轴心处速度都在30 mm处达到最大，且在30 mm左右存在速度核心区，半球柱体喷嘴在轴心30 mm处达到的速度最大，为138.6 m/s。过了核心区后，速度急剧下降，平头柱体喷嘴沿轴向速度下降最快，半球柱体喷嘴和90°锥形柱体喷嘴下降速度几乎一样，在距中心体底端60 mm后，3种喷嘴速度下降趋势一样，且速度较小。

图4 3种不同中心体喷嘴的压力云图

图4显示了3种不同中心体喷嘴的压力云图，由于压力范围跨度大，如果压力显示区间选择整个范围，则不能很好地显示低压区的情况。因此，在对压力云图进行后处理的时候，在作图时对显示范围作了自定义，图中显示的是压力范围为3540~100000 Pa。

图5 含3种不同中心体喷嘴的气含率云图和空化体积关系

由图4可以看出，在喷嘴内中心体前端出现了明显的负压，部分区域的绝对压力低于水在300 K时的饱和蒸汽压3540 Pa，低压会促使气核的生长，这为空化产生提供了条件。90°锥形柱体喷嘴和半球柱体喷嘴的低压区域明显比含平头柱体喷嘴的低压区域大，且沿轴心扩散得更远，而半球柱体喷嘴产生的低压区域径向扩散比90°锥形柱体喷嘴大，这主要是因为射流绕过中心体底端后产生旋涡，90°锥形柱体和半球柱体更加有利于以旋涡为主的尾流扩散，而在半球柱体的弧形壁面，边界层更加容易脱落，更有利于尾流径向发展。

图5显示了3种不同中心体喷嘴的气含率云图和不同中心体喷嘴的空化体积关系。

从图5(a)~(c)可以看出，空化区域主要存在于射流绕中心体底端后，沿轴心方向延伸。随着射流远离中心体底端，射流产生的空化强度逐渐减弱，空化区域先扩大，后缩小，这主要是因为射流绕过中心体后，产生的旋涡沿轴心向前运动一段距离后，阻滞作用不断加强，尾流慢慢消失。在相同压力情况下，90°锥形柱体喷嘴产生的空化泡有效扩散距离最长，可达到20.8 mm，半球柱体次之，大约为18.6 mm，平头柱体喷嘴的空化泡有效扩散距离最短，只有15.4 mm。空化体积是水射流流束局部达到饱和蒸汽压后产生的大量空泡的体积，利用空泡破裂产生的强大冲击力增强射流作用。由图5(d)可知，90°锥形柱体喷嘴诱发产生的空泡体积也最大，为8.75×10-2cm3，是平头柱体喷嘴产生空泡体积的5倍之多。主要由于射流绕过不同中心体时，射流流速增加，压力降低，产生的旋涡和扩散方式存在不同，导致在喷嘴内中心体附近压力分布不同，初生空化泡所产生的程度和位置都存在不同;在空泡随着射流沿轴心线向外延伸扩散时，90°锥形柱体喷嘴射流稳定性较好，气泡延伸扩散的距离最远。

5 结论

（1）半球柱体喷嘴和90°锥形喷嘴柱体比平头柱体喷嘴产生的空化效果更好，射流绕过半球柱体和90°锥形柱体这2种中心体时，产生的楔形空泡射流具有更强的集速性能，更有利于空化的冲蚀打击效果。

（2）在12 MPa的压力下，半球柱体喷嘴和90°锥形柱体喷嘴所形成射流的空化体积相当，最远可达到20 mm多，约为平头柱体喷嘴同参数的5倍；前2种喷嘴产生空化射流的扩散距离也比平头柱体喷嘴空化扩散的距离远，空化效果得到了大大的提高。

（3）半球柱体喷嘴内中心体为弧形，更有利于旋涡的产生，形成低压区，所以半球柱体喷嘴射流绕过中心体后，压力降低，射流流速增加，能够达到更高的射流速度，且存在较大的速度核心区。

（4）通过数值模拟计算，得到了含不同中心体喷嘴射流流场情况，为下一步工作打下了良好的基础。

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