基于Fluent的射流喷嘴结构设计与优化

陈廷兵， 廖文玲， 李晓晓， 敬正彪， 龚一龙(.成都工业学院 智能制造学院， 四川 成都 670；.成都大学 机械工程学院， 四川 成都 6006；.成都工业职业技术学院 装备制造学院， 四川 成都 608)

0 引 言

天然气水合物储量巨大，是一种清洁的能源，如何有效地实现对天然气水合物的开采受到科研人员的极大关注.目前，针对天然气水合物开采的研究主要集中于热激、降压、注入化学试剂、CO2置换及水力压裂等方面[1].然而，利用传统方法对天然气水合物进行开采时，随着开采范围的逐渐增大，极易造成水合物采空区域储层坍塌等地质灾害问题出现，且开采不当还将造成水合物的大量分解， 引发严重的温室效应，并造成大量资源的浪费[2].对此，科研人员提出了天然气水合物固态流化开采的新技术[3]，其中水合物射流破碎工艺是其中的关键之一[4].由于水合物射流破碎工艺是初次提出，因此，结合天然气水合物的状态和物理属性等特点，开展相应的射流破碎研究是实现天然气水合物射流破碎的主要途径.研究发现，在射流破碎过程中，射流喷嘴是影响射流破碎效果的关键因素之一，而通过对喷嘴结构进行优化能够达到最优的射流破碎性能[5-10].本研究通过对5种不同结构喷嘴对射流破碎影响的仿真，分析喷嘴结构对天然气水合物射流破碎效果的影响，并选择其中较优的喷嘴结构对其具体结构参数值进行优化，以达到最优的喷嘴射流性能，拟为后续研究中为喷嘴选型提供参考依据.

1 模型的建立

1.1 控制方程

本研究的仿真模拟选择Fluent软件中的k-ε湍流模型，模型的k和ε方程分别为，

(1)

式中，ρ表示流体密度，k表示湍动能，ε表示耗散率，μ表示流体的动力黏度，Gk、Gb分别表示由于平均速度梯度和浮力引起的湍动能，YM表示可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响；xi表示坐标方向，μi表示时均速度，μt表示湍流黏度，σk、σε表示k和ε对应的prandtl数，Sk和Sε表示用户自定义的源项，C1ε、C2ε和C3ε表示经验常数.一般而言，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σε=1.3[11-12].

1.2 物理模型

由于喷嘴尺寸参数对射流破碎的影响主要通过流道区域的直径和偏角实现.因此，本研究建立简化后的单喷嘴几何模型如图1所示，ABCDIJKL为喷嘴处的流场区域，EFGH为流场区域.5种不同喷嘴的结构示意图及具体参数大小分别如图2和表1所示.

图1 单喷嘴流场几何模型

图2 不同喷嘴结构示意图

表1 不同结构单喷嘴参数值

在模型的网格划分时，本研究在综合考虑网格精度和模型特点的基础上，确定采用四边形网格单元对模型进行划分，并选择0.05的网格划分精度，以保证足够的计算精度和合理的计算时间.划分后的喷嘴网格示意图如图3所示，网格单元数为526 325.

图3 喷嘴网格划分示意图

1.3 边界条件

边界条件是仿真分析过程中必不可少的参数之一，对于本研究的射流破碎仿真，设置AL为入口边界，AB、BC、CD、LK、KJ、JI为壁面，DE、EF、FG、GH、HI为出口边界，边界取压力入口和压力出口，喷嘴壁面为无滑移壁面，并选取入口压力为5 MPa，出口压力为0.1 MPa，入口的紊流强度为5%.在此边界条件下模拟研究水射流的流场分布情况，选取SIMPLE为模拟实验中的流场数值解法.

2 结果与优化

2.1 结果与讨论

相同情况下，5种不同流道结构的喷嘴对射流场区域速度分布的影响如图4所示.

图4 5种喷嘴流场速度云图

由图4可以看出，射流介质通过收缩段收缩后流入水平的过渡段，此时射流介质达到最大速度，同时拥有的能量最大；而经过渡段稳定后射出喷嘴，速度减小，且都有一定的发散，最终呈尖帽状分布，不同流道的喷嘴对射流速度仍存在一定的影响.从图4(a)和(b)可以看出，对于a和b两种结构的喷嘴，收缩段的存在对射流核心段长度及速度集中度有一定影响；收缩段结构让喷嘴射流速度更加集中，射流核心段长度更长，而无收缩段的喷嘴其射流速度较为发散，射流核心段也较短.对比图4(a)和(e)可知，喷嘴收缩角、发散角、过渡段的引入将增大射流出口的速度，同时也使发散角度相对增加，射流介质在喷嘴出口处有更加细致流场的分布，这有利于充分利用水射流能量，提高开采性能和效率，增大开采范围.

为了更加清楚地了解不同结构喷嘴对射流轴线上介质速度的影响，本研究描述了100 mm范围内5种不同结构喷嘴轴线上的速度分布对比，具体如图5所示.

图5 5种喷嘴流场的轴向速度分布

由图5可以看出，5种不同结构喷嘴在轴线上的介质速度分布规律基本一致，均呈现先增加后减小的变化趋势，但速度最大时所对应的轴向距离存在一定的差异.此外，在相同的边界条件和外在因素影响情况下，5种结构喷嘴中，射流介质在喷嘴e的喷嘴出口附近有最大速度，为122.608 m/s，比其余4种结构喷嘴的速度高很多，继而所获得的能量也大得多.因此，喷嘴e对水射流能量的利用最大，能够更好地实现水合物的射流破碎效果.

2.2 喷嘴结构优化

综合图4和图5的结果，本研究选择喷嘴e为天然气水合物射流破碎开采的射流喷嘴，并在此基础上，对喷嘴e的结构进行优化设计以获得更优的射流破碎效果.

针对喷嘴e的结构优化，本研究设计了如表2所示的正交因素分析表，研究喷嘴入口直径、过渡段直径、过渡段长度、收缩角和扩散角对射流破碎的影响.

表2 正交因素表

基于正交因素表2，通过仿真分析，得到如表3所示的不同因素下射流介质的出口速度.

表3 正交仿真结果

从表3可以看出，当喷嘴入口直径为2.0 mm、过渡段直径为0.8 mm、过渡段长度为4 mm、收缩角为24°、扩散角为10°时，出口处的介质流速最大，此时即为给定条件下的喷嘴e最优结构.在该最优参数下，喷嘴e流场区域的介质速度分布云图如图6所示，该最优参数下的轴向速度分布如图7所示.

图6 最优参数喷嘴的速度云图

图7 最优参数喷嘴的轴向速度分布

3 结 论

本研究通过建立5种不同结构的单喷嘴流场湍流模型，分析了单喷嘴结构参数对射流破碎的影响，并开展了不同结构参数对射流破碎影响的正交试验，继而对喷嘴的结构参数进行优化，得出以下结论：

1)在出口处，具有扩散角的喷嘴流场分布更加细致，有利于水射流能量的利用，增大开采范围.

2)通过正交试验，得到喷嘴的最佳参数组合方案：入口直径D=2.0 mm，过渡段直径d0=0.8 mm，过渡段长度l=4 mm，收缩角α1=24°，扩散角α2=10°.