喷嘴结构对空化射流的影响分析

崔 聪，张功学，何 凯，张飞飞，徐耀辉，薛 哲

(1.陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021；2.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055)

0 引言

我国拥有广袤的海洋，其中蕴含着丰富的自然资源，特别是其中蕴藏的能源对我国有着非常重要的战略地位[1-2]。据探明我国海底油气能源特别的丰富，且主要位于深海地区，其开发利用就必须使用到海上钻井平台，但是海洋生物的日积月累的附着在导管架等重要设施上会额外的增加其重量、分泌的液体会腐蚀导管架、产生损坏、使导管架受力不均匀，其最严重的后果会导致导管架垮塌，因此对导管架要定期进行清洗和检修[3-4]。目前，我国水下清洗作业主要还是依靠传统的技术，就是潜水员携带清洗装置下水进行清洗作业，这就导致不可能清洗较深区域的导管架，不但使得清洗员人生安全存在巨大危险，而且清洗的成本高、工作时间长、清洗区域很局限[5-6]。水下空化清洗技术方面，以流体力学、数值仿真技术、空化理论为基础，通过对空化喷嘴的流场进行仿真分析，判断空化效果的好坏，对空泡体积分数进行分析从而获取最优的喷嘴结构[7-8]，提高水下导管架清洗效率和导管架的使用寿命。

1 喷嘴结构模型

喷嘴是空化现象产生的最主要的原因。根据空化现象产生的不同原理可知，空化喷嘴有绕流型、剪切型、振荡型三种不同结构。绕流型空化喷嘴设计加工难度大，导致其成本很高，且空化效果不明显。因此从实际运用的角度出发，绕流型结构喷嘴本文不作研究。

剪切型空化喷嘴是最常见的，其喷嘴结构如图1所示。在水下时高速流体与低速流体因不同的速度进而产生剪切层和漩涡。漩涡在中心地区压力低会容易产生空化现象，从而形成空化射流。

图1 剪切型喷嘴

振荡型空化喷嘴。常见的振荡型空化喷嘴主要分为两种:风琴管结构空化喷嘴，其结构如图2所示；自激振荡脉冲空化喷嘴，随着亥姆霍兹空化喷嘴的发展与完善产生了自激振荡脉冲空化喷嘴，其结构如图3所示。振荡型空化喷嘴的工作原理是当高压水射流经过谐振腔时，由于通道变小导致出现压力波，然后此波会向入口反射，由于不断的进行反射会引起驻波的产生。如果设计的喷嘴结构尺寸恰到好处，当驻波频率与谐振腔固有频率相同时，将会共振使得空化效果更加强烈，进而可以更好地进行清洗作业。

图2 风琴管空化喷嘴 图3 自激振荡脉冲空化喷嘴

2 喷嘴模型建立及网格划分

由于研究的三种喷嘴结构都为对称旋转体，则可将复杂的三维模型简化成简单的二维模型进行仿真分析。因为本文所研究的喷嘴结构不太复杂，所以二维模型通过 ANSYS软件自带的画图模块建立。本文主要为了观察外流场的空泡体积分数来判断不同结构喷嘴空化效果，因此必须添加外流场。由于二维模型依然是轴对称结构，我们只需要对其一半进行有限元分析，便可得到需要的结果，在最后查看分析结果时可以设置呈现整体的结果云图。为了可以明显对比出哪种喷嘴结构的空化射流效果更好，添加大小相同的外流场。然后对物理模型的边界命名，包括压力入口、压力出口、墙壁、对称边界，最后对模型进行网格划分，如图4所示为三种喷嘴有限元模型。

图4 三种喷嘴有限元模型

如图5所示，可以看出三种有限元模型的平均质量大于0.99，非常接近于1，网格质量满足仿真需求。

图5 网格质量

2.1 多相流模型

如表1所示，对不同种多相流模型特点进行描述，选择Mixture多相流模型。

表1 三种多相流模型的特点

2.2 湍流模型

根据空化射流本身的特性并结合表2，本文选用Realizablek-ε作为空化仿真的湍流模型。

表2 三种湍流模型的特点

其控制方程如下：

K方程为：

(1)

ε方程为：

(2)

C2=1.9;σk=1.0;σε=1.2。

2.3 材料设计

添加water-liquid材料，其密度为ρ=1000 kg/m3，黏度为μ=0.001 kg/(m·s)，添加water-vapor，其密度为ρ=0.02558 kg/m3，黏度为μ=1.26e-6 kg/(m·s)。

给主相赋予water-liquid材料，第二相赋予water-vapor材料，为了准确描述空化过程中的相变过程，需要在Phase Interactions中选择Schnerr-Sauer 空化模型。

(3)

其中：me是蒸发率；mcond是凝结率。

(4)

(5)

通常情况下Fe=50，Fcond=0.01，RB=1.0×10-6m，αnuc=5×10-4。

2.4 压力设置

设置模型的进口总压力都为30 MPa，静压力为0，出口压力为标准大气压。

根据工程应用水射流，有流速与入口压力简化关系式：

(6)

其中：V为入口流体速度(m/s)；P为入口压力(MPa)

由公式(6)可通过入口压力计算得出射流的速度。如图6所示为三种不同喷嘴在不同入口压力条件下的喷嘴入口水射流速度理论值与数值仿真理论值对比。可以看到，理论计算结果与数值预测结果几乎一致，因此仿真结果的可信度高。

图6 仿真预测与理论计算的射流速度对比图

同时，如图7所示为入口压力为30 MPa 条件下从喷嘴入口到流场最右边的流体速度曲线。由图7可以看出，三种喷嘴流体速度的最高速度都在245 m/s左右，当空化射流从喷嘴流出后会迅速与静止的流体接触，其速度会明显下降，直到流体速度消失为止。这也在图7中明显的反映了出来，三个喷嘴的流体速度在0.03 m左右处都为0，这也证明该数值仿真的结果可靠。

图7 喷嘴沿对称面的流体速度分布曲线

3 仿真结果与分析

空泡体积分数云图如图8、图9、图10所示。

图8 风琴管空化喷嘴空泡体积云图

在空化射流过程中，作用在被清洗表面的作用力与产生的空泡有直接关系，因此可以通过数值仿真计算的空泡体积分数云图分析空化喷嘴结构的性能。由上面三个不同喷嘴的空泡体积云图可以看出自激振荡脉冲空化喷嘴、剪切型喷嘴、风琴管空化喷嘴的空泡体积分数最高分别达到了0.988、0.967、0.963。对比可以得出自激振荡脉冲空化喷嘴空泡体积分数最高值最大，说明其空化效果最好，也可以通过云图直观地看出自激振荡脉冲空化喷嘴产生气泡的区域最大，因此得出自激振荡脉冲空化喷嘴清洗效果最好。

4 结论

本文利用流体力学模拟软件FLUENT对喷嘴结构进行流体仿真，模拟出了空化喷嘴内部和外部流场的空泡体积情况。通过设置相同的参数和大小相同的外流场区域，来对比三种不同结构喷嘴的空泡体积云图，最后得出自激振荡脉冲空化喷嘴的空化效果最佳。