基于收缩角度的锥型缩口喷嘴研究

尚力阳，张智勇，范素香，郝用兴，于鹏辉，胡畔

(1.黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450006；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

0 引言

南水北调工程是中国关乎民生大计的一项重大长距离输水工程，工程通水运行以来，由于生态平衡系统尚未形成及水体富养化等原因，总干渠内有季节性的藻类滋生情况发生，为改善藻类滋生对水质的影响，研发藻类清除专用技术装备对干渠内的藻类及时拦捞清除是非常必要的。

2018年，智能化拦藻装备安装在南水北调中线工程十八里河倒虹吸进口闸门处，实现了藻类拦藻清除，该装备的冲洗装置冲洗示意如图1所示，喷嘴采用高压水射流方式，对附着在旋网上的藻类冲刷率可达90%，但少数藻类继续附着在旋网上随其一起转动，影响滤网过水能力，也降低藻类拦捞清除效果。

图1 冲洗示意图

刘俊等研究了影响喷嘴功用的要素，选取与清洗系统匹配的喷嘴，显著提高了清洗效果，降低了能源消耗。孙军等通过对风琴管喷嘴内壁粗糙管道进行仿真模拟，结果表明内部管道的尺寸变化以及凸起结构会显著影响管道内壁面的流场分布。袁太平等分析了锥型缩口喷嘴、突变型截面喷嘴和圆弧型截面喷嘴孔内的速度分布情况，等。尽管很多专家学者对喷嘴进行了结构设计与优化的研究，但专门针对藻类冲刷的研究较少。由于藻类与水结合紧密呈粘稠状，黏附现象严重，特别是黏着在旋网孔内，使得少量顽固藻类难以从旋网冲洗脱离。

运用数值模拟的手段，探究锥型缩口喷嘴的收缩角度对喷嘴性能的影响，优化喷嘴结构，提高喷射性能。此研究旨在通过对喷嘴结构的优化，提高喷嘴性能，进而提高藻类的冲洗效果。

1 喷嘴结构

冲洗装置中喷嘴喷射目的是将旋网上附着的藻类冲洗干净，且节省能耗、降低使用成本，具体要求满足以下几点：①喷嘴喷射出的水射流要将管道内的压力能尽可能有效转变为对于喷射目标的喷射能力，喷射水流要有较好的均匀聚集性；②喷嘴喷出的水流，所受到的卷吸作用要尽量小，保证喷出的水射流要有较好稳定性，对射流表面有较好的冲击力；③喷嘴不易发生堵塞；④在满足射流预期目的情况下，尽量减少水耗。

不同结构形式的喷嘴会得到不同的射流效果。应根据射流作业的要求，合理地选用喷嘴类型。文章主要是对锥型缩口喷嘴进行研究分析。锥型缩口喷嘴如图2所示，其结构参数主要包括喷嘴入口直径D、收缩角θ、出口直径d、缩颈长度a、喷嘴总长度L和喷嘴外径H。

设定喷嘴入口直径D=5 mm，出口直径d=3 mm，缩颈长度a=4 mm，喷嘴长度L=20 mm，喷嘴外径H=10 mm。主管道作为常压管道，设计压力选择0.30 MPa，遵循尽量少用水的原则，在满足冲洗的条件下选择尽量选择小孔径、小流量。但是选择的孔径不能过小，因为孔径过小，会造成喷出水流容易雾化的困扰，因此在0.30 MPa的压力下，选择喷嘴出口直径3 mm，足以将藻类冲掉。

2 数值模拟分析

喷嘴出口的水流流速越大，喷出的水流对拦截的藻类冲击力越大，实际应用中，对藻类冲洗效果不仅受到喷嘴喷出水流流速的影响，也受到水流集束均匀性影响，实践证明，同等水流流速下，集束均匀性好水流比集束均匀性差的水流对藻类冲洗的效果好。因此，喷嘴的性能主要由出口水流流速和集束性这两项评价指标来判定，对于锥型缩口喷嘴，随着收缩角增大，水流速度增大，但动能损失也相应增加。故选择收缩角度范围为10°～70°的锥型缩口喷嘴进行研究分析，在该范围内选取收缩角为10°、30°、50°、70°的锥型缩口喷嘴，探究使锥型缩口喷嘴出口处的水流达到较好集束性小范围的收缩角度区间。

2.1 仿真条件设置

运用Fluent软件，保持其他参数不变，只改变收缩角进行仿真。设定入口流量为3.90 L/min，通过流量和流速关系公式：

Q=V·S

(1)

式(1)中：Q—入口流量；V—入口流速；S—入口截面面积。

计算得到入口速度为3.31 m/s。采用Fluent前处理软件Geometry建立锥型缩口喷嘴3D模型。设置流体介质为水。由于射流场处于高湍流状态，所以湍流模型选取标准 k-ε模型，该模型计算过程如下：

(2)

质量加权平均的连续性方程：

(3)

质量加权平均的动量方程：

(4)

质量加权能量方程：

(5)

压力插值格式采用Body Force Weighted，采用一阶迎风离散格式进行数值运算求解。

2.2 仿真结果与分析

2.2.1 喷嘴收缩角为10°、30°、50°、70°的仿真分析

在选择喷嘴的收缩角度时，既要考虑喷嘴出口水流流速的大小，也要考虑喷嘴出口水流流速的分布均匀程度，要保证较好的集束性的前提下，喷嘴出口截面的水流流速尽可能大。按照上述仿真条件设置，通过Fluent软件求解器计算，得到收缩角度分别为10°、30°、50°、70°时喷嘴沿中心Y-Z截面的流速云图，如图3所示。可以看出，在喷嘴内部通道的收缩段，喷嘴将流经的水流受到的压力能转变成了水流流动的动能，从而增加了流经水流的速度，实现喷嘴出口水流的喷射速度的提高，并且收缩角越大，出口流速越高。

(a)θ=10° (b)θ=30° (c)θ=50° (d)θ=70°图3 喷嘴沿Y-Z截面射流流速云图

分别选取10°、30°、50°、70°收缩角度的喷嘴出口X-Z截面Z方向水流流速云图，如图4所示。可以看到，虽然各个喷嘴的收缩角度不同，但可以发现距离喷嘴截面中心越远的区域，水流的流速愈小。在距喷嘴中心轴线最远的边缘区域，即喷嘴中贴近通道内壁区域的水流流速很小，甚至无流速，这主要是因为喷嘴通道内壁对流经的水流有一定的摩擦力，从而减小了水流的流速。进一步的，可以发现，当收缩角度为10°和30°时，流经喷嘴出口截面的水流速度的均匀性较好。收缩角度为50°、70°的喷嘴在出口X-Z界面上都出现了较为明显的流速大小不一的区域，均匀集束性较差。

(a)θ=10° (b)θ=30° (c)θ=50° (d)θ=70°图4 喷嘴出口X-Z截面水射流流速云图

综合图3、图4四个收缩角度的仿真模拟结果，通过分析可以得出结论：在收缩角度10°～70°的范围内，随着喷嘴收缩角度的增加，收缩段对水流的阻碍作用越来越明显，导致水流流经该段时，速度变化越来越大，使流经喷嘴出口截面的水流速度的均匀性越差，而在10°～30°的收缩角度范围内，流经喷嘴出口截面的水流流速分布较为集中均匀。因此下一步拟在10°～30°的收缩角度范围，进行更加细化的对不同收缩角度的锥型缩口喷嘴进行仿真模拟。

图5 收缩角度与喷嘴出口X-Z截面Z向面平均速度关系图

图6 收缩角度与喷嘴出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数关系图

2.2.2 针对收缩角角度在10°～30°范围内喷嘴的仿真分析

通过Fluent软件求解器计算，得到喷嘴收缩角度在10°～30°范围内不同收缩角度锥型缩口喷嘴的出口截面Z方向的面平均速度和Z向速度分布均匀度指数，如图5、图6所示。由图可知，喷嘴出口X-Z截面Z向面平均速度随收缩角度增大而增大，喷嘴出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数随收缩角度的增大而减小，其中收缩角在10°～14°范围内喷嘴出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数缓慢减小，在收缩角度14°之后喷嘴出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数开始逐渐加速减小。总体趋势与前面对收缩角为10°、30°、50°、70°的喷嘴仿真分析得出的喷嘴出口水流的集束性随着收缩角度的增加而变差的结论相符合。

所以，经过上述分析可以得出收缩角为22°的喷嘴冲洗效果最好，其出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数达到0.985以上，集束性较好，在喷嘴出口X-Z截面Z向速度分布均匀度指数达到0.985以上的收缩角度中，其出口X-Z截面Z向面平均速度最大，达到9.273 523 m/s。

3 应用

该智能化拦藻装备的冲洗装置中的锥型缩口喷嘴选取最佳收缩角为22°，经过结构优化之后，改善了冲洗性能，冲洗率达到98%以上，冲洗装置现场运行如图7所示。

图7 冲洗装置图

4 结论

采用Fluent软件通过对不同收缩角度锥型缩口喷嘴进行建模仿真，模拟分析水流通过喷嘴出口截面的流速分布情况，得到流速分布云图以及收缩角度和沿Z轴方向流速的关系曲线图。分析结果可以得到以下结论：①通过对收缩角为10°、30°、50°、70°的锥型缩口喷嘴进行仿真模拟，结果初步表明喷嘴出口水流的集束性随着收缩角度的增大而变差。②通过对收缩角在10°～30°之间的锥型缩口喷嘴进行数值分析，进一步得出喷嘴出口水流的集束性随着收缩角度的增大而变差，并且得到在10°～30°收缩角度范围内，喷嘴出口水流平均流速随着收缩角度的增加而增大。最终分析结果表明收缩角为22°的锥型缩口喷嘴集束性较好，并且在具有较好集束性的不同收缩角的锥型缩口喷嘴中，其喷嘴出口水流平均流速最大。③采用收缩角度为22°的锥型缩口喷嘴使智能化拦藻装备的拦藻率从90%提升至98%以上，显著地改善了冲洗性能。