屈 鐸 王曉強(qiáng) 蘇永生 楊子聰

（1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）（3.中國人民解放軍91091部隊(duì) 三亞 572000）

1 引言

船舶、港口及修理廠等需要對甲板、設(shè)備、零件等進(jìn)行除漆、除銹、去污等，尤其一些特殊場合對清洗的要求很高。在達(dá)到清洗標(biāo)準(zhǔn)的前提下，清洗介質(zhì)要求具有無腐蝕性等特點(diǎn)，零件表面的清洗要求不能損傷表面結(jié)構(gòu)［1］。為了滿足上述清理要求，本文采用一種超聲速氣固混合清洗方法設(shè)計(jì)了噴射清理裝置——采用壓縮空氣引射NaHCO3固體顆粒進(jìn)行清洗。巴德瑪?shù)龋?］分析了該技術(shù)的清理效果，不僅節(jié)約用水量、不污染環(huán)境，而且從微觀學(xué)的角度證實(shí)了對零件表面損傷相對較小。朱培元［3］全面對比分析了該技術(shù)與我國傳統(tǒng)清洗技術(shù)，指出采用NaHCO3固體顆粒噴射清理技術(shù)的優(yōu)勢及發(fā)展前景。

目前針對噴管超聲速射流的研究很多。劉福海等［4］采用CFD 方法驗(yàn)證了基于特征線法設(shè)計(jì)的拉瓦爾噴管應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐氧槍噴頭的優(yōu)勢；劉廣龍等［5］基于解析法設(shè)計(jì)超音速噴管的收縮段和擴(kuò)張段，并采用CFD 數(shù)值模擬對其進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證；趙飛等［6］采用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)的方法研究了集束射流和普通超音速射流的流場特性；魏光升等［7］采用數(shù)值模擬及熱態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)方法，研究了氧槍結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流場分布的影響。Yan J 等［8］采用CFD 方法研究了輔助孔的面積比對噴射泵性能的影響。Yadav S K 等［9］利用ANSYS-Fluent對兩級噴射泵進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。以上主要集中在單相流，而超聲速氣固混合清洗技術(shù)研究較少，本文基于CFD采用離散相模型（DPM）模擬顆粒氣體流動，對噴槍流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使清洗效率最大化。

2 噴槍的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

噴槍流道如圖1所示，結(jié)合超聲速射流特點(diǎn)，可以將噴槍流道分為穩(wěn)定段、收縮段、喉部、擴(kuò)張段和混合段。該裝置的核心是所形成的空氣流道及固體顆粒流道。壓縮空氣從噴槍右側(cè)穩(wěn)定段進(jìn)入，經(jīng)噴槍的收縮段加速后進(jìn)入喉部，當(dāng)喉部壓縮空氣壓力超過臨界值時(shí)，喉部空氣能夠輕易被加速至當(dāng)?shù)芈曀?，同時(shí)被加速后的空氣壓力急劇降低。而在噴槍流道的擴(kuò)張段內(nèi)，已達(dá)到聲速的氣流膨脹加速形成超聲速氣流，而此時(shí)氣流的壓力進(jìn)一步降低，導(dǎo)致擴(kuò)張段附近區(qū)域具有較高的真空度。這樣，該區(qū)域就能夠從外界吸入NaHCO3固體顆粒。進(jìn)入主流道的NaHCO3固體顆粒與超聲速氣流在混合段混合后被進(jìn)一步加速，形成高速的氣-固兩相流動，并在混合段出口被高速噴出。噴出后的高速高能的NaHCO3固體顆粒撞擊有污漬的壁面時(shí)，能夠有效地清潔壁面。

3 噴槍流道初步設(shè)計(jì)

噴槍流道出口NaHCO3顆粒的速度是保證清理效率的前提。而為了使粒子速度最大化，就必須盡量保證氣流速度最大。這樣，在噴槍流道的設(shè)計(jì)中，要求流道的型線與氣流在絕熱膨脹時(shí)的氣體形狀相適應(yīng)［10］。據(jù)此，采用半解析方法對噴管進(jìn)行初步設(shè)計(jì)?；谘b置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，首先設(shè)定流道入口直徑為8mm，喉部直徑為4mm，采用維托辛斯基（Witoszynski）曲線來進(jìn)行收縮段的設(shè)計(jì)，采用Foelsch的解析法對擴(kuò)張段進(jìn)行了設(shè)計(jì)；參照文獻(xiàn)［11］，設(shè)定穩(wěn)定段的長度為喉部直徑的10倍。

4 基于CFD的噴槍流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

通過上述理論設(shè)計(jì)，確定了噴槍主體流道的基本結(jié)構(gòu)，喉部直徑為4mm，收縮段采用維托辛斯基（Witoszynski）曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，擴(kuò)張段采用Foelsch方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，穩(wěn)定段的直徑為33mm。噴槍的主流道的幾何模型如圖2所示。

圖2 噴槍內(nèi)部流道

為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對噴槍的主體流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對同一模型同一工況分別采用約為70 萬、90 萬、120 萬（分別對應(yīng)0.55、0.50、0.45 最大網(wǎng)格尺寸）的網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前兩個(gè)模型計(jì)算得到的出口氣流速度誤差較大，后兩個(gè)網(wǎng)格模型的出口氣流速度誤差僅在3%范圍內(nèi)，滿足誤差要求。因此，采用最大網(wǎng)格尺寸為0.50對之后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4.2 湍流模型及邊界條件設(shè)置

工作過程中，噴槍流道內(nèi)伴有離散相的固體顆粒和空氣的混合流動，采用SST k-w 湍流模型［12］，并通過DPM 模型添加離散相顆粒。顆粒介質(zhì)設(shè)為NaHCO3，顆粒密度設(shè)為2159kg/m3，顆粒注入流量為0.001kg/s，顆粒直徑為0.75mm（200目）。參考壓力為1atm，流道進(jìn)口壓力設(shè)置為0.8MPa，固體顆粒通道入口和主流道出口均設(shè)為0。壁面設(shè)置為無滑移絕熱壁面，介質(zhì)為空氣。

4.3 流道出口直徑對清理效果的影響

由于流道出口直徑的大小會影響空氣流速，進(jìn)而影響NaHCO3顆粒被吸入主流道的能力及顆粒在主流道出口的動能。為了選擇合適的流道出口直徑，在確定顆粒入口流道直徑為3mm 及與主流道夾角為30°的前提下，分別建立了流道出口直徑d為5mm、5.7mm、6.5mm、7.4mm、8mm 的模型（分別記為模型1、2、3、4、5），并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。

圖3 為各模型中的顆粒軌跡分布，由圖中可知，模型1 的大部分顆粒在進(jìn)入主流道之后都可以直接向出口加速，而除了模型1 以外的模型的顆粒在進(jìn)入主流道之后都與管壁有不同程度的碰撞。

圖3 各模型的顆粒軌跡分布

圖4 為各模型壁面的壓力云圖，由圖中可知，在喉部之前，五個(gè)模型壁面壓力分布基本一致，喉部之后的壁面壓力分布差別很大；模型1 和模型2相差不大，兩個(gè)模型的低壓區(qū)最小，隨著出口直徑的增大，壓力分布越無序。模型5 的低壓區(qū)范圍最大并且壓力最大且壓力分布最無序。

圖4 各模型壁面的壓力云圖

圖5 為各模型中截面的速度云圖，由圖中可知，在喉部之前，五個(gè)模型中截面速度分布基本一致，喉部之后的速度分布差別很大；模型1 的負(fù)壓區(qū)速度最小且區(qū)域最小，隨著出口直徑的增大，顆粒吸入速度增大，模型5 的負(fù)壓區(qū)速度最大且區(qū)域最大，同時(shí)速度分布最無序。

圖5 各模型中截面的速度云圖

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，五種模型在進(jìn)氣壓力為0.8MPa 的情況下都能夠正常工作。當(dāng)注入顆粒流量為注入0.001kg/s 條件下，固體顆粒都能夠被引射至主流道并隨著高速氣流一起流動，逐漸加速至出口。

表1 是不同出口直徑模型的工作情況數(shù)據(jù)，由表可知，除模型1 外，顆粒入口區(qū)域的氣體流速均過大，導(dǎo)致引射入的顆粒直接與管道壁面碰撞。隨著噴槍出口管徑的增大，引射入口的氣體壓力進(jìn)一步降低，中截面的低壓區(qū)面積增大，且壓力分布無序程度增大；由于出口管徑增大，使擴(kuò)張段變長，擴(kuò)張段出口速度增大，粒子吸入速度增大，造成喉部之后的管內(nèi)局部流動越復(fù)雜。然而只是擴(kuò)張段出口的速度較大，隨著顆粒的流動，出口直徑越大，速度下降越快。

表1 不同出口直徑模型的計(jì)算結(jié)果對比

模型1的顆粒出口速度最高可被加速到201m/s左右，模型2 的出口速度可以達(dá)到206m/s 左右，但是模型2 的噴射出口顆粒的均勻程度較差。模型3、模型4 和模型5 由于出口直徑較大，顆粒的出口速度與模型1 都有不同程度的下降。從噴槍的清理效果分析，顆粒的出口速度越大越好。

4.4 固體顆粒進(jìn)入位置對清理效果的影響

NaHCO3顆粒入口與喉部擴(kuò)張段出口的距離極其關(guān)鍵，假設(shè)顆粒入口處剛好是壓縮空氣流速最大的部位，那么此部位的負(fù)壓效果最好，吸入顆粒的效率也越好。在合適的位置設(shè)置引射口可以充分利用出口負(fù)壓從而提高引射的效率，為此設(shè)計(jì)了三個(gè)模型，如圖6所示，模型1顆粒入口位置在擴(kuò)張段出口處，模型2 顆粒入口部分設(shè)置在擴(kuò)張段壁面上，模型3 顆粒入口位置離擴(kuò)張段出口約4mm，三個(gè)模型的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。

圖6 固體顆粒進(jìn)入位置不同的流道模型

數(shù)值模擬時(shí)，網(wǎng)格劃分、邊界條件和湍流模型的設(shè)置均相同，從而計(jì)算了噴槍流道內(nèi)的流動特性。圖7 為各模型中截面的壓力云圖，由圖中可知，在喉部之前，三個(gè)模型中截面壓力分布基本一致，喉部之后的壓力分布差別很大；模型1 的低壓區(qū)分布在顆粒入口位置之前，模型2 的低壓區(qū)分布在顆粒入口的位置，模型3 的低壓區(qū)分布在顆粒入口位置之前，且離顆粒入口位置距離最遠(yuǎn)。

圖7 各模型中截面的壓力云圖

圖8 為各模型中截面的速度云圖，由圖中可知，在喉部之前，三個(gè)模型中截面速度分布基本一致，喉部之后的壓力分布差別很大；模型1 的速度最大區(qū)域位于顆粒入口位置附近但未完全覆蓋，模型2 的速度最大區(qū)域完全覆蓋了顆粒入口位置，模型3 的最大速度區(qū)域未位于顆粒入口位置附近，且距離最遠(yuǎn)。

圖8 各模型中截面的速度云圖

表2 是不同顆粒入口位置的計(jì)算數(shù)據(jù)，從表中可知，模型2 的顆粒入口區(qū)域的氣體流量和流速均較大，并且負(fù)壓區(qū)域能夠覆蓋整個(gè)顆粒進(jìn)入主流道的位置，使得噴射出口顆粒覆蓋面最大。三種模型的顆粒出口速度分別為201m/s、205m/s 和206m/s，三者的最大出口顆粒速度相差不大。模型1 的噴射出口覆蓋面要大于模型3，并且出口顆粒平均速度也大于模型3。

表2 不同顆粒入口位置的模型計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)語

通過數(shù)值計(jì)算，對比不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的噴槍流道內(nèi)的顆粒軌跡、顆粒速度、壓力分布、速度分布等計(jì)算結(jié)果，得到以下規(guī)律并對噴槍流道進(jìn)行了優(yōu)化：1）噴槍流道的出口直徑不宜過大，適當(dāng)增加固體顆粒出口速度，提高清潔效果；針對該裝置，選擇5mm作為噴槍的出口直徑；2）固體顆粒入口流道開在緊鄰膨脹段出口處，雖然可以提高出口顆粒的平均速度，但是出口顆粒的均勻程度較差，而固體顆粒入口部分設(shè)置在擴(kuò)張段壁面上，雖然對出口顆粒的平均速度有一定影響，但是出口顆粒的均勻程度較好。