杜 鵬，呂順順

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

空化射流通過誘發(fā)含有空氣(水蒸汽或混合氣泡)的空泡產(chǎn)生，通過適度控制噴嘴出口截面到靶材料表面間距，使空泡發(fā)展長大，又隨著射流沖擊靶材料而潰滅，空泡潰滅的瞬間產(chǎn)生的局部高溫高壓以及沖擊波，對材料表面進(jìn)行破壞，以達(dá)到清洗效果?？栈淞魈N(yùn)含著巨大的能量，但受空化效應(yīng)產(chǎn)生的條件限制，目前空化水射流大多應(yīng)用在淹沒環(huán)境中，極大地限制了空化水射流的發(fā)展。針對上述問題，本文通過在噴嘴出口處營造淹沒環(huán)境，構(gòu)成人工淹沒空化噴嘴，通過高低壓水的剪切作用，產(chǎn)生空化水射流。

1 空化流場的特性分析

影響射流空化初生的主要因素是射流的壓強(qiáng)和流速?？栈慕?jīng)典理論將液體的飽和蒸汽壓強(qiáng)視為液體發(fā)生空化的臨界壓強(qiáng)。定義空化數(shù)δ0為：

其中：p0為空化初生時環(huán)境壓力；pv為飽和蒸汽壓；v0為空化初生時射流速度。

當(dāng)δ0≤1時，可以判定發(fā)生空化效應(yīng)。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，使用空化數(shù)判定是否發(fā)生空化的適用條件很局限，僅當(dāng)液流收縮段橫截面積與液流下流截面積之比為1∶2，且計(jì)算出的δ0≤0.5時才適用。所以在實(shí)際應(yīng)用中并不能將空化數(shù)作為產(chǎn)生空化的依據(jù)，而是以液體壓強(qiáng)是否低于其飽和蒸汽壓來判斷是否發(fā)生空化效應(yīng)[1]。當(dāng)液體壓強(qiáng)低于相應(yīng)環(huán)境下的飽和蒸汽壓強(qiáng)時，液體中的微氣泡開始爆發(fā)性生長，形成直徑在20 μm以下的氣核。當(dāng)環(huán)境壓強(qiáng)高于相應(yīng)環(huán)境下的飽和蒸汽壓時，空化泡由蒸汽變?yōu)橐后w而潰滅，在空化泡潰滅的瞬間會在液體內(nèi)產(chǎn)生“內(nèi)爆“形成空洞，在空洞附近的液體微團(tuán)會向空洞中心形成沖擊現(xiàn)象[2]，利用此能量能極大地提高射流沖擊性能。

2 物理模型和邊界條件

本文采用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行仿真分析，建立空化效果較好的角形空化噴嘴物理模型進(jìn)行模擬。以顯著影響角形噴嘴空化效果的入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑為研究變量[3]，采用物理混合空化模型、RNG к-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。物理模型的入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa[4]。

運(yùn)用Mesh軟件對建立的噴嘴和流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用Multi Zone Quad方法進(jìn)行控制，網(wǎng)格單元大小為0.01 mm，并對噴嘴內(nèi)部網(wǎng)格進(jìn)行加密。生成的網(wǎng)格全部為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約有19萬個，檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量大于0.8，表明網(wǎng)格質(zhì)量很好，可以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

3 角形噴嘴數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對空化水射流的影響

擴(kuò)張角為20°，喉管直徑為1 mm，收縮角為30°，入口壓力分別為10 MPa和100 MPa時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖1和圖2所示。由圖1可以看出：當(dāng)噴嘴入口壓力為10 MPa時，射流在噴嘴軸線上最大速度為201 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為9 mm，由于在淹沒環(huán)境下，受液體阻礙射流速度衰減很快，射流的最大流動距離和擾動范圍約為17 mm。由圖2可以看出：當(dāng)噴嘴入口壓力為100 MPa時，射流在噴嘴軸線上最大速度為313 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為12 mm，射流的最大流動距離和擾動范圍約為20 mm。通過對比可知，噴嘴入口壓力對流場中的流速和空化效應(yīng)影響很大，可知在淹沒環(huán)境下，射流空化的產(chǎn)生主要受射流最大流動距離和擾動范圍影響，射流最大流動距離和擾動范圍越大，產(chǎn)生的低壓區(qū)越大，產(chǎn)生的空化氣泡體積越大。

圖1 入口壓力10 MPa時的流場速度和含氣率分布云圖

圖2 入口壓力100 MPa時的流場速度和含氣率分布云圖

圖3為射流在流場中的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的變化情況。由圖3可以看出：射流的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的增大而增大。因此，為了保證射流中空化氣泡的產(chǎn)生,可適當(dāng)增加噴嘴的入口壓力。但噴嘴入口壓力的增加伴隨著泵壓的增大，可根據(jù)實(shí)際條件選取合適的入口壓力。

圖3 最大流速和含氣率隨入口壓力變化曲線

3.2 擴(kuò)張角對空化射流的影響

壓力為20 MPa，收縮角為30°，喉管直徑為1 mm，擴(kuò)張角分別為10°和60°時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖4和圖5所示。由圖4可以看出：當(dāng)擴(kuò)張角為10°時，射流在噴嘴軸線上最大速度為198 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為7 mm，射流在流場中的的最大流動距離和擾動范圍約為18 mm。由圖5可以看出：當(dāng)擴(kuò)張角為60°時，射流在噴嘴軸線上最大速度為201 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為10 mm，射流的最大流動距離和擾動范圍約為15 mm。由圖4和圖5對比可知：擴(kuò)張角的大小對最大流速的影響不顯著，但擴(kuò)張角大小決定著射流在噴嘴出口處的壓力分布。噴嘴出口處的壓力分布直接影響著射流的擾動范圍，可以看出在噴嘴擴(kuò)散角為60°時產(chǎn)生的氣相體積要大于擴(kuò)散角為10°時產(chǎn)生的氣相體積，可知擴(kuò)張角的大小對空化氣泡的產(chǎn)生影響效果顯著。

圖4 擴(kuò)張角為10°時的流場速度和含氣率分布云圖

圖5 擴(kuò)張角為60°時的流場速度和含氣率分布云圖

圖6為射流在流場中的最大流速和含氣率隨擴(kuò)張角的變化情況。由圖6可以看出：隨著擴(kuò)張角的增大，射流在流場中的最大流速變化波動小，含氣率先增大后減少。擴(kuò)張角的大小對角形噴嘴在軸線上的最大流速影響不明顯，最大流速波動范圍在9 m/s之內(nèi)，擴(kuò)張角的改變主要通過影響射流在流場中的擾動范圍影響含氣率的大小。擴(kuò)張角為60°時，含氣率最高，空化效果最好。

圖6 流場最大流速和含氣率隨擴(kuò)張角變化曲線

3.3 喉管直徑對空化射流的影響

角形噴嘴入口壓力為20 MPa，擴(kuò)張角為60°，收縮角為30°，喉管直徑分別為1 mm和3 mm時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖7和圖8所示。由圖7可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為202 m/s，空化氣泡分布的最大距離約為10 mm，最大流動距離和擾動范圍約為15 mm。由圖8可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為201 mm/s，空化氣泡分布的最大距離約為11 mm，最大流動距離和擾動范圍大于20 mm。通過對比可以看出，喉管直徑對噴嘴在軸線上的最大流速影響不顯著，但對空泡的產(chǎn)生有一定影響。可以看出當(dāng)喉管直徑增大時，對含氣率分布的最大距離影響很小，但對空化產(chǎn)生的形態(tài)影響比較顯著。當(dāng)喉管增大至3 mm時，射流中心部分不會再產(chǎn)生空化效果，可知喉管直徑顯著影響射流的空化效果。

圖7 喉管直徑為1 mm時的流場速度和含氣率分布云圖

圖8 喉管直徑為3 mm時的流場速度和含氣率分布云圖

圖9為在噴嘴入口壓力為20 MPa、擴(kuò)張角為60°時流場速度和含氣率隨著喉管直徑的變化情況。由圖9可以看出：流場中的含氣率隨著喉管直徑的增加先增加后減少，當(dāng)喉管直徑為2 mm時，流場中的含氣率最高。這是由于在入口壓力20 MPa下，喉管由2 mm增大時，擴(kuò)散段壁面的影響限制了空化氣泡的產(chǎn)生。所以進(jìn)行角形噴嘴設(shè)計(jì)時，可以優(yōu)先考慮把喉管直徑設(shè)計(jì)成2 mm。

圖9 最大流速和含氣率隨喉管直徑的變化曲線

4 人工淹沒空化噴嘴仿真分析

通過對角形噴嘴的入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑數(shù)值模擬可知，入口壓力越大流場中的含氣率越高，擴(kuò)張角取60°時流場中的含氣率最高，喉管直徑取2 mm時流場中的含氣率最高。所以在角形噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，優(yōu)先把擴(kuò)張角設(shè)計(jì)成60°，喉管直徑設(shè)計(jì)成2 mm，入口壓力在條件允許的前提下越大越好。通過上述角形噴嘴含氣率分布云圖可知，射流發(fā)生空化的階段主要發(fā)生在出口處，所以在出口處營造淹沒環(huán)境即可促進(jìn)空化氣泡的產(chǎn)生，形成空化射流。為此本文在上述角形噴嘴的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種人工淹沒空化噴嘴，噴嘴剖面尺寸如圖10所示， 入口1為壓力入口，入口2為速度入口，收縮角為30°，擴(kuò)散角為60°，喉管直徑為2 mm。

圖10 人工淹沒空化噴嘴剖面圖

圖11為人工淹沒空化噴嘴的流場速度和含氣率分布云圖。其邊界條件為：入口1壓力為20 MPa，入口2速度為2 m/s，外部流場為空氣。圖12為相同尺寸的角形噴嘴的流場速度云圖和含氣率分布云圖，其邊界條件為：入口壓力為20 MPa，外部流場為液態(tài)水。由圖11可知：人工淹沒空化噴嘴在軸線上的最大流速為279 m/s，空化氣泡分布的最大距離為5 mm，由于人工淹沒噴嘴外部流場為大氣環(huán)境，速度衰減很慢，在出口40 mm處仍能保持流速達(dá)170 m/s左右。由圖12可知：角形噴嘴在軸線上的最大流速為203 m/s，空化氣泡分布的最大距離為5 mm，而角形噴嘴在淹沒環(huán)境下最大擾動范圍只能保持在30 mm左右。從圖11和圖12的含氣率分布云圖對比可知，人工淹沒空化噴嘴也能有效產(chǎn)生空化氣泡，并維持到大氣環(huán)境中。

圖11 人工淹沒空化噴嘴的流場速度和含氣率分布云圖

圖12 角形噴嘴的流場速度和含氣率分布云圖

5 結(jié)論

(1) 通過流體力學(xué)軟件FLUENT能較好地模擬空化噴嘴的內(nèi)部流場和外部流場的流速和空化氣泡的產(chǎn)生及分布情況。通過數(shù)值模擬可知，在淹沒環(huán)境下角形噴嘴空化氣泡的產(chǎn)生部位主要在噴嘴擴(kuò)散段及離出口10 mm范圍內(nèi)，人工淹沒空化噴嘴空化氣泡的產(chǎn)生主要在出口處營造的淹沒環(huán)境段，并能維持到大氣環(huán)境中。

(2) 影響角形噴嘴產(chǎn)生空化射流的關(guān)鍵因素為入口壓力、擴(kuò)張角、喉管直徑。在保持其他條件相同的情況下，噴嘴的入口壓力越大、擴(kuò)張角為60°、喉管直徑為2 mm時，空化效果更好。

(3) 人工淹沒空化噴嘴在大氣環(huán)境中使用，能和角形噴嘴在淹沒環(huán)境下產(chǎn)生相同的空化效果，且人工淹沒噴嘴產(chǎn)生的射流速度衰減緩慢。