李俊, 張慶，周一睜

(南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)水射流性能影響的分析

李俊, 張慶，周一睜

(南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

介紹了水射流理論及其計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)噴嘴的水射流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。通過仿真結(jié)果比較得出：錐直形噴嘴整流段長(zhǎng)度對(duì)噴射速度具有一定影響，且有利于噴嘴出口流量的增加；當(dāng)噴嘴收縮角為14°時(shí)，水射流性能最佳。

水射流；噴嘴結(jié)構(gòu)；流場(chǎng)仿真

0 序言

隨著計(jì)算機(jī)和流體數(shù)值技術(shù)的快速發(fā)展以及許多湍流模型的成功建立，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)水射流流動(dòng)特性和物理量的分布規(guī)律進(jìn)行研究具有更準(zhǔn)確、可靠、迅速的優(yōu)點(diǎn)。從20世紀(jì)30年代起，人們就利用理論，實(shí)驗(yàn)等多種手段對(duì)水射流進(jìn)行了廣泛的研究，而噴嘴是形成水射流的直接元件，其作用是將水的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此噴嘴的結(jié)構(gòu)直接決定著水射流的性能[1]。

1 水射流理論介紹

目前對(duì)于水射流已經(jīng)形成了一套比較完整的分析方法。工程所用的水射流絕大數(shù)是湍流流動(dòng)，其實(shí)際整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，為了便于分析，眾多學(xué)者將射流過程分為初始段、基本段、和耗散段3個(gè)階段[2]。

初始段是射流的核心段，水流一離開噴嘴就與空氣發(fā)生劇烈的動(dòng)量交換和紊動(dòng)擴(kuò)散，但中心線附近的水射流在初始段仍保持噴嘴出口初始速度。初始段長(zhǎng)度決定了水射流噴射的距離。

基本段是水射流的主體段，在這個(gè)階段絕大部分為充分發(fā)展的紊動(dòng)混摻區(qū)，且段內(nèi)射流的軸向流速和動(dòng)壓力逐漸減少。

消散段也稱為水射流的霧化段，此時(shí)射流已經(jīng)變成水滴與空氣的混合物或已霧化，軸向速度與動(dòng)壓力相對(duì)較低。

2 建立水射流數(shù)學(xué)模型

由于文中研究的是自由非淹沒紊動(dòng)射流，考慮水的粘性，且認(rèn)為水射流過程中水流是不可壓的。則在空間直角坐標(biāo)系中，對(duì)于不可壓流體，水射流連續(xù)方程為：

在空間直角坐標(biāo)系中，對(duì)于不可壓流體的N-S方程為[3]：

直接求解上述瞬態(tài)的控制方程難度很大，則采用時(shí)間平均處理的方法，從而引入了雷諾方程，雷諾方程相比N-S方程多了應(yīng)力項(xiàng)，稱為雷諾應(yīng)力，此時(shí)形成的方程組不封閉，必須使用新的湍流模型使方程封閉，因此引入湍動(dòng)能方程和湍流耗散率方程，便形成了不可壓縮流體的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[4]：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

其中：湍流粘度μt=ρCμk/ε，Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)公式，σk和σε分別為與湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。

水射流基本方程由連續(xù)方程，雷諾方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程共同組成。

3 噴嘴的選擇

噴嘴是形成水射流的核心部件。噴嘴結(jié)構(gòu)主要指噴嘴的長(zhǎng)徑比、收縮角和流道形狀[5]。不同結(jié)構(gòu)的噴嘴所形成的流量系數(shù)，射流的擴(kuò)散角和等速核長(zhǎng)度都不相同。噴嘴的流道形狀有橢圓形、流線型、圓弧型和錐形等，這些噴嘴的水力特性如表1。綜合考慮噴嘴性能和加工，常使用錐形噴嘴，因此文中選擇錐形噴嘴進(jìn)行研究。當(dāng)錐形噴嘴的收縮角取較大值時(shí)，在減小流體在噴嘴入口處的阻力的同時(shí)，也會(huì)使流動(dòng)得不到充分發(fā)展，最終影響水射流的性能；當(dāng)收縮角取值小時(shí)，又將給流動(dòng)帶來過大阻力。而錐直型噴嘴的整流段可改善流體從噴嘴中噴出前的狀態(tài)，使噴出后的射流在空氣中更穩(wěn)定。

表1 各種噴嘴的水力特性對(duì)比

4 噴嘴射流流場(chǎng)仿真

4.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

直接運(yùn)用ICEM對(duì)二維噴嘴水射流流場(chǎng)建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易收斂，計(jì)算速度更快，也更準(zhǔn)確。以d型噴嘴為例，網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖1所示。

圖1 d型噴嘴的網(wǎng)格劃分

4.2 模型選擇與邊界條件確定

文中考慮的屬于非淹沒自由水射流，噴射出的水在空氣中運(yùn)動(dòng)并與空氣發(fā)生劇烈的能量傳遞和動(dòng)量交換，因此采用氣液兩相流模型[8]。根據(jù)雷諾數(shù)求解公式Re=vdH/υ，可得水射流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流，因此采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

設(shè)置計(jì)算域邊界條件，取d型噴嘴的射流流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)槔?，如圖2所示，其中邊A設(shè)置為速度入口，將第二相水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，表示入口充滿水；邊B設(shè)置為自由出口；CDEC1D1E1設(shè)置為固體壁面，采用FLUENT中默認(rèn)的無滑移條件，且對(duì)近壁處的流體應(yīng)用近壁函數(shù)。二維水射流流場(chǎng)參數(shù)尺寸分別為：噴嘴入口長(zhǎng)度為20 mm，噴嘴出口長(zhǎng)度為10 mm，噴嘴入口速度為1 m/s。

圖2 二維噴嘴水射流流場(chǎng)

4.3 仿真結(jié)果及其分析

分別對(duì)上述4種噴嘴進(jìn)行水射流流場(chǎng)仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 噴嘴水射流流場(chǎng)速度云圖

由圖3可得水流從噴嘴中噴出后的速度均為2m/s左右，而根據(jù)連續(xù)性方程可知，噴嘴出口的速度為2m/s，仿真出的結(jié)果與理論公式求解出的結(jié)果近似相等。

當(dāng)錐直形噴嘴的收縮角不同時(shí)，噴嘴出口速度和噴嘴出口靜壓會(huì)發(fā)生變化，其關(guān)系分別如圖4和圖5所示。

圖4 噴嘴收縮角對(duì)噴嘴出口速度的影響

圖5 噴嘴收縮角對(duì)噴嘴出口靜壓的影響

比較a型和b型噴嘴水射流流場(chǎng)的仿真結(jié)果可得：a型噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)相比b型的更紊亂；b型噴嘴整流段內(nèi)的流體也比a型噴嘴的平緩。比較c型和b型噴嘴水射流流場(chǎng)的靜壓，發(fā)現(xiàn)收縮角為8°的噴嘴在出口處?kù)o壓要小于收縮角為14°的噴嘴。這很好地證明了理論，即收縮角越小在收縮斷面形成的阻力就越大，從而導(dǎo)致能量耗散的增加，根據(jù)能量守恒定律，流體能量的耗散主要體現(xiàn)在靜壓的變化上。綜合考慮噴嘴出口速度與靜壓的影響，通過圖4和圖5得到：收縮角為14°的噴嘴對(duì)水射流性能提高更有利。

當(dāng)錐直型噴嘴的長(zhǎng)徑比不同時(shí)，噴嘴出口速度不同，通過仿真得到其關(guān)系如圖6所示。

圖6 噴嘴長(zhǎng)徑比對(duì)噴嘴出口速度的影響

比較b型和d型噴嘴形成的水射流流場(chǎng)，有整流段的噴嘴出口速度與沒有整流段的大致相同，但從b型噴嘴中噴射出的水流更加平穩(wěn)。經(jīng)過大量仿真得到圖6所示規(guī)律，則當(dāng)長(zhǎng)徑比為2～4時(shí)，噴嘴出口的速度最大。在噴嘴直徑變化處，由于水流流線不能夠轉(zhuǎn)折，射流會(huì)發(fā)生收縮，但射流在受到阻力后要發(fā)生擴(kuò)散。當(dāng)有適當(dāng)長(zhǎng)度的整流段時(shí)，擴(kuò)散的射流就會(huì)發(fā)生附壁，在離開噴嘴前，液體已充滿整個(gè)截面，即收縮斷面發(fā)生在噴嘴的整流段內(nèi)部，使噴嘴的截面收縮系數(shù)ε=1。同時(shí)收縮斷面處存在一定的真空度，因此對(duì)于錐直型噴嘴形成的水射流，不僅有動(dòng)壓的驅(qū)動(dòng)作用，而且還有真空抽吸作用，從而使出口流量有所增加，即具有整流段的噴嘴噴射出的水流流量一定大于沒有整流段時(shí)的流量。但當(dāng)收縮斷面上的絕對(duì)壓力低于當(dāng)?shù)氐娘柡驼羝麎毫r(shí)，水流又將會(huì)在流過該截面處發(fā)生氣化，應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 選用FLUENT中的vof模型和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)噴嘴進(jìn)行水射流流場(chǎng)仿真，仿真出的結(jié)果與理論值相似。

2)不同噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)水射流性能具有較大影響。對(duì)于錐直形噴嘴而言，當(dāng)收縮角為14°且噴嘴長(zhǎng)徑比為2～4時(shí)，水射流性能最好。

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Analysis of Influence of Nozzle Convergence on Water-jet Capacity

LI Jun, ZHANG Qing，ZHOU Yizheng

(Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094，China)

This paper introduces the theory of water-jet and mathematical model of its computational fluid dynamics and uses FLUENT solfware to simulate and analyae the water-jet flow fields with different nozzles. According to the compared result of the simulation，the rectifying section of nozzle not only has influences on the water-jet velocity, but also prompts the increase of the nozzle outlet flow. When the convergence angle of the nozzles is 14 degree, the performance of the water-jet is the best.

water jet; nozzle configuration; flow field simulation

李俊(1990-)，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0102-03

2014-03-04