袁 聰，張培銘，宋錦春

(1.肇慶學院機械與汽車工程學院,廣東肇慶 526061； 2.廣西機械工業(yè)研究院有限責任公司,廣西南寧 530000；3.東北大學機械工程與自動化學院,遼寧沈陽 110819)

引言

近年來，隨著流體控制技術(shù)的發(fā)展，高壓噴射流在各種除垢除銹的清洗場合的應用變得愈加普遍。高壓噴射清洗設備普遍涉及狹小的節(jié)流噴嘴，高壓流體經(jīng)過噴嘴產(chǎn)生高速射流，并對噴嘴出口外的物體產(chǎn)生動態(tài)負載，沖刷物體表面的結(jié)垢或銹跡。為了獲得較好的沖洗效果，國內(nèi)外的學者們開展了各種有益的探索。

HULTI等[1]研究了淹沒式噴射流的流場尺寸參數(shù)對沖洗效果的影響，揭示了射流沖擊載荷與流場的密切相關(guān)性。王啟博等[2]分析了影響盤式清洗裝置清洗效果的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并對噴嘴布局進行了優(yōu)化。蔡朋等[3]利用數(shù)值流場模擬研究了淹沒式噴射流的動態(tài)流場及噪聲特性。曹澤平等[4]測量了不同參數(shù)設置下的環(huán)形噴嘴的動態(tài)載荷，揭示了靶距對射流沖刷效果的作用規(guī)律。王萍輝等[5]根據(jù)自振射流的工作原理對噴嘴結(jié)構(gòu)進行了理論分析，對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，提供了清洗裝置的工作效率及沖刷效果。YANG等[6]通過數(shù)值方法研究了不同噴嘴的流場結(jié)構(gòu)，對比分析了噴嘴擴散角度與沖刷效果的關(guān)系。FANG等[7]對淹沒式水射流進行了大渦模擬，揭示了不同工況條件下的流場結(jié)構(gòu)。蔡騰飛等[8]探討了噴嘴出口幾何尺寸與出口邊界層流動特性的關(guān)系，并根據(jù)分析結(jié)果提出了參數(shù)優(yōu)化方案。李玉朵等[9]對某清洗裝置的高壓噴射流進行了流場數(shù)值模擬，并對噴嘴結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

上述研究從多個方面揭示了高速噴射流的流動規(guī)律。但是，噴射流的流場結(jié)構(gòu)較為復雜，其與動態(tài)沖擊載荷的相關(guān)性仍需要進一步探索。為此，本研究在OpenFOAM開源CFD平臺搭建了面向兩相高速噴射流的數(shù)值求解器，針對某高壓水射流開展數(shù)值模擬研究，分析流場結(jié)構(gòu)隨工況壓差的變化趨勢，揭示動態(tài)載荷與流場結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 數(shù)學模型

本研究的研究對象屬于霧化噴射，高壓噴嘴出口處為壓縮氣體。噴射流的液核與氣體的相互作用將產(chǎn)生散布四周的液滴，隨后發(fā)生一次霧化，液核在沖擊底部靶件后發(fā)生劇烈的破碎。這些現(xiàn)象都涉及到液滴間的交互性效應。對此，將通過VOF算法在數(shù)值計算中模擬液核及液滴的表面張力，從而對噴射流的霧化過程進行準確描述。

結(jié)合相體積守恒定律，可以通過單相的輸運方程描述兩相流動系統(tǒng)的流相變化規(guī)律：

(1)

式中，αl—— 液相體積百分比

αv—— 汽相體積百分比

ρl—— 液相密度

ρv—— 汽相密度

U—— 混相速度

Ur—— 流相間的滑移速率

Ur由如下方程獲得：

(2)

式中，cAlpha為界面壓縮系數(shù)。

混相流體的動量方程為：

(3)

式中，κ—— 界面曲率

σ—— 表面張力系數(shù)

τ—— 偏應力張量

p—— 壓力

對動量方程進行半離散，結(jié)合速度散度方程，實現(xiàn)速度-壓力解耦，獲得如下壓力方程：

(4)

式中，H(U) —— OpenFOAM的H算子

ap—— 動量方程系數(shù)矩陣

上述數(shù)學模型的詳細推導過程，可參考相關(guān)文獻[10-11]。

以方孔霧化水射流為算例，對數(shù)學模型進行驗證。方孔的幾何尺寸如圖1a所示，網(wǎng)格模型如圖1b所示，包含約690萬網(wǎng)格單元。文獻[12]使用多普勒測速儀(LDV)測量了3個位置的截面時均速度，同時拍攝了出口處的液相輪廓。圖2為數(shù)值模擬預測的截面速度分布與實驗測量的對比，模擬結(jié)果預測了方孔左壁面處的回流現(xiàn)象，而且數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的平均偏差約為6%。圖3為數(shù)值模擬結(jié)果預測的瞬時液核霧化輪廓，在噴嘴出口約5 mm處液核輪廓突然擴大，與實驗拍攝結(jié)果較為吻合。方孔算例表明，該數(shù)值方法能夠較好地預測小孔霧化噴射流動。

圖1 方孔模型

圖2 方孔不同截面處的流向速度分布及與實驗測量的對比

2 模擬計算設置

使用OpenFOAM較為常用的PIMPLE算法進行時間步推進，相輸運方程使用有界性較好的MULES顯性算法求解，時間步離散使用二階精度的backWard策略，對流項使用系數(shù)為0.5的Gamma離散策略。入口使用全壓力邊界條件，入口壓力對應3個工況分別為11,31,51 MPa，出口使用非反射邊界條件，出口壓力均為1 MPa，因此3個工況的壓差分別為10,30,50 MPa。其余邊界設置為無滑移壁面。流場的幾何尺寸如圖4a所示，噴嘴的直徑為0.3 mm，長度為4 mm，靶距為4 mm。圖4b也展示了相應的網(wǎng)格模型，包含約400萬網(wǎng)格單元。

圖3 方孔噴嘴出口處的霧化輪廓

圖4 水射流模型

3 模擬結(jié)果與分析

圖5為各工況的數(shù)值模擬結(jié)果，上半部分為αl=0.5°的液核形態(tài)，下半部分為截面速度分布云圖，可以看出，隨著壓差的提升，液核的表面逐漸變得粗糙，瞬時速度分布呈現(xiàn)愈加強烈的不均勻性。圖6為不同工況的瞬時截面液相分布圖，其中上半部分為黑色方框的局部放大圖。由于噴嘴屬于細長孔(直徑與長度之比較小)，各工況均可清晰地觀察到水力柱塞流現(xiàn)象。圖7所示的灰色曲面表示始終被液相占據(jù)的區(qū)域。圖8為根據(jù)相關(guān)文獻[13]的方法推算出的噴霧錐角隨壓差的變化趨勢。壓差為10 MPa時，錐角接近0°，說明基本沒有發(fā)生霧化現(xiàn)象，主要原因在于局部雷諾數(shù)較

圖5 各工況的整體瞬時流場結(jié)構(gòu)

圖6 各工況的整體瞬時截面液相分布云圖

小，使液核表面并未產(chǎn)生大尺寸的漩渦，從而使液核表面呈現(xiàn)光滑平順的形態(tài)。當壓差為30 MPa時，噴霧錐角有大幅度的提升，說明此時已經(jīng)開始發(fā)生霧化現(xiàn)象。如圖9所示,上半部分為噴嘴出口外的截面液相云圖,下半部分為αl=0.5°的瞬時液核形態(tài)，噴射流通過噴嘴出口之后，大量的小液滴從液核剝落，分布在液核的周圍。隨后，在約1.5 mm的下游區(qū)域開始誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象，盡管液核并未被完全穿透，但液核已產(chǎn)生大尺寸的凹坑，并且這些凹坑具有高度的不規(guī)則分布特征。對于工況三，一次霧化起始位置位于噴嘴出口下游1.3 mm處。結(jié)合圖8可以推測，隨著壓差的提升，一次霧化的誘發(fā)位置越接近噴嘴，從而使噴霧錐角逐漸增大。圖10為霧化腔的壓力分布云圖及Q等值面圖。Q準則反映了流場中一個流體微團旋轉(zhuǎn)和變形之間的一種平衡，因此Q等值面可以捕捉流場中的三維漩渦結(jié)構(gòu)。與工況一相比，其余工況都存在2個突出的特點：第一，噴嘴出口處的擬序漩渦迅速瓦解并在下游誘發(fā)大量的流向渦；第二，存在明顯的壓力波現(xiàn)象，說明此時的噴射流屬于跨音速流動。這些極端的流場結(jié)構(gòu)是當前研究對象的一次霧化的誘發(fā)因素。

圖7 各工況的純液相區(qū)域分布圖

圖8 霧化錐角隨壓差的變化趨勢

圖9 噴嘴出口外的瞬時流場結(jié)構(gòu)

圖11為工況一的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時壓力分布云圖。液核保留較完整的圓柱狀輪廓，沖擊靶件后以較為平穩(wěn)的狀態(tài)緊貼靶件表面向四周流動。同時，不同時刻的靶件表面的壓力分布變化幅度較小，射流對靶件的總打擊力基本保持不變，如圖14所示。圖12為工況二的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時壓力分布云圖。劇烈的一次霧化效應使液核形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則性，在沖擊靶件后誘發(fā)猛烈的破碎，并在隨后的時刻這些破碎的液滴沖擊靶件并向四周反射，在靶件表面形成濺射狀的霧化現(xiàn)象，造成靶件表面的不均勻壓力分布，并且不同時刻的壓力分布存在明顯差異，在圖12(ii)和圖13(ii)有較強的瞬時壓力峰值，分別高達32.5，54.5 MPa，壓力峰值的出現(xiàn)與一次霧化造成的沖擊液核的不均勻性有較大的關(guān)系。圖14為靶件總打擊力的時間變化曲線，打擊力的波動具有明顯的隨機特征，其波動幅度較為顯著并隨著壓差逐漸增長，工況一到工況三的總打擊力的標準差分別為0.028，0.136，0.517。結(jié)合流場結(jié)構(gòu)(圖11～圖13)可以推測，打擊力的隨機波動與一次霧化直接相關(guān)。一次霧化的作用導致液核的不均勻分布，并且壓差越大一次霧化現(xiàn)象愈加強烈，從而導致打擊力的波動越大。

圖10 噴射流的壓力分布云圖及Q=1×1012等值面

圖11 工況一的瞬時截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖12 工況二的瞬時截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖13 工況三的瞬時截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖

圖14 各工況的總打擊力時間變化曲線

4 結(jié)論

通過對不同壓差工況的高速射流開展數(shù)值模擬，揭示了重要的流場結(jié)構(gòu)，并獲得了以下重要結(jié)論：

(1) 當壓差為10 MPa時，高速射流與氣體的相互作用未對液核產(chǎn)生明顯的影響，射流對靶件的沖擊作用較為平穩(wěn)；

(2) 當壓差為30 MPa時，高速射流與氣體的相互作用誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象；當壓差升至50 MPa時，噴霧錐角從1.3°增長到1.6°，一次霧化現(xiàn)象進一步增強。本研究分析算例的高壓射流霧化現(xiàn)象在噴射腔具有2個典型的流場特征結(jié)構(gòu)，分別是大量的流向渦以及壓力波。在兩者的共同作用下，不斷有液滴從液核表面脫落，并逐漸誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象；

(3) 一次霧化效應使液核呈現(xiàn)不規(guī)則的特征，并在靶件表面產(chǎn)生猛烈的破碎，產(chǎn)生局部壓力峰值，該壓力峰值具有較大的隨機性特征，從而強化了液核對靶件的沖擊作用，同時打擊力隨著一次霧化效應呈現(xiàn)明顯的波動。當壓差從30 MPa提升到50 MPa時，局部壓力峰值分別是32.5，54.5 MPa，總打擊力波動的標準差從0.136增加到0.517。結(jié)果表明，一次霧化效應對高壓清洗效果具有促進作用。