楊新霞 閆月娟 徐艷 李森 劉海水 劉幸倩

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403009

摘 要 基于ZGB空化模型和WALE亞格子模型，采用大渦模擬（LES）方法對(duì)風(fēng)琴管噴嘴空化射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬空化云演化規(guī)律基本吻合的基礎(chǔ)上開(kāi)展風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谌蛩厮乃降恼辉囼?yàn)設(shè)計(jì)，分析了圓柱段及擴(kuò)散段對(duì)空化射流流場(chǎng)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，擴(kuò)散角角度為空化效果的主要影響因素，圓柱段長(zhǎng)度為射流效果的主要影響因素，擴(kuò)散段長(zhǎng)度對(duì)空化射流影響相當(dāng)，通過(guò)極差分析獲得了風(fēng)琴管噴嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。對(duì)比分析風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后的空化射流流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的風(fēng)琴管噴嘴空化射流效果顯著提升。

關(guān)鍵詞 風(fēng)琴管噴嘴 大渦模擬 正交試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 空化射流

中圖分類號(hào) TQ055?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 0254?6094（2024）03?0382?10

Large Eddy Simulation?based Optimization of

Organ Nozzle Structural Parameters and Flow Characteristics Analysis

YANG Xin?xia， YAN Yue?juan， XU Yan， LI Sen， LIU Hai?shui， LIU Xing?qian

（School of Mechanical Science and Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract?? Based on ZGB cavitation model and WALE subgrid model， having large eddy simulation （LES） method adopted to simulate cavitation jet flow field of the organ nozzle was implemented， including basing on the general coincidence between experimental and numerical simulation of the evolution law of cavitation clouds to optimize the organ nozzles structure parameters. In addition， based on orthogonal experimental design of three factors and four levels， the influence of both cylindrical and diffusion sections on the cavitation jet flowfield characteristics was analyzed to show that， the diffusion angle mainly influences cavitation effect， and the cylindrical sections length mainly influence jet effect， and the diffusion sections length has a similar effect on the cavitation jet. Through analysis of range， the optimal structural parameters combination of the organ nozzle was obtained. Comparing and analyzing the cavitation jet flowfield simulated before and after optimizing structural parameters of the organ nozzle indicates that， the optimized organ nozzle has significantly improved the cavitation jet effect.

Key words?? organ nozzle， large eddy simulation， orthogonal experiment， structural parameter optimization，cavitation jet

（Continued from Page 359）

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：LH2022E016，LH2022A004）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：楊新霞（1997-），碩士研究生，從事機(jī)器學(xué)習(xí)與空化射流數(shù)值模擬研究。

通訊作者：閆月娟（1971-），教授，從事流體機(jī)械及內(nèi)流特性的研究，1072254366@qq.com。

引用本文：楊新霞，閆月娟，徐艷，等.基于大渦模擬的風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及流動(dòng)特性分析[J].化工機(jī)械，2024，

51（3）：382-391.

高壓水射流清洗領(lǐng)域中[1～4]，風(fēng)琴管空化射流噴嘴利用空泡潰滅產(chǎn)生的高溫高壓可以大幅提高射流的沖擊效果，因此近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。在綠色低碳發(fā)展的大背景下，一些石油化工設(shè)備由于所處理介質(zhì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致產(chǎn)生的污油或垢蝕難以清洗，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)一種更加高效節(jié)能的風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)尤為重要。

風(fēng)琴管噴嘴空化射流具有強(qiáng)烈的多相湍流特征[5]。目前，大多數(shù)學(xué)者采用RANS方法對(duì)風(fēng)琴管噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬研究，然而RANS模型的渦黏假設(shè)僅能對(duì)時(shí)均化流動(dòng)進(jìn)行模擬，缺少瞬時(shí)流場(chǎng)信息對(duì)空化射流流動(dòng)的影響。大渦模擬（LES）在求解過(guò)程中對(duì)大尺度的渦直接求解，對(duì)小尺度的渦建模，因此在理論上模擬精度優(yōu)于RANS模型。王連安等基于大渦模擬方法對(duì)風(fēng)琴管空化噴嘴流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)大渦模擬可以更好地捕捉圓柱段以及擴(kuò)散段的渦環(huán)分布[6]。李貴東等采用大渦模擬方法對(duì)射流式離心泵射流器進(jìn)行研究，并與SST k?ω湍流模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，基于時(shí)間平均的SST k?ω湍流模型無(wú)法很好地模擬泵喉管內(nèi)部的壓力脈動(dòng)情況，大渦模擬結(jié)果則能得到壓力脈動(dòng)隨時(shí)間的變化，且與試驗(yàn)結(jié)果一致[7]。暴春航等利用大渦模擬對(duì)推進(jìn)裝置的強(qiáng)剪切空化射流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，大渦模擬可以捕捉到外流場(chǎng)渦分布以及空化云演變規(guī)律。因此，大渦模擬可以更準(zhǔn)確地模擬空化射流流場(chǎng)[8]。

空化噴嘴作為典型的空化發(fā)生器，其流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流空化程度、空化效果影響巨大。大渦模擬準(zhǔn)確度高但計(jì)算成本也高，因此針對(duì)空化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，大多數(shù)學(xué)者采用k?ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。王萍輝和方湄驗(yàn)證了風(fēng)琴管自激振蕩空化噴嘴的清洗效果與噴嘴諧振腔的直徑、長(zhǎng)度以及靶距都有關(guān)，同時(shí)也驗(yàn)證了用理論公式設(shè)計(jì)風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)是可靠的[9]。郭世建根據(jù)理論公式確定了圓柱段直徑，同時(shí)入口段與諧振腔的尺寸可根據(jù)最佳長(zhǎng)徑比確定，采用RNG k?ε模型對(duì)風(fēng)琴管噴嘴圓柱段長(zhǎng)度、擴(kuò)散段長(zhǎng)度、擴(kuò)散角和靶距進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得到了最佳參數(shù)組合[10]。楊涵根據(jù)自振空化射流噴嘴的基本結(jié)構(gòu)，采用RNG k?ε模型對(duì)其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（如噴嘴擴(kuò)散角、擴(kuò)散段長(zhǎng)度及圓柱段長(zhǎng)度等）對(duì)噴嘴性能的影響進(jìn)行了分析，得到了最佳參數(shù)組合[11]。CAI T F等對(duì)風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)擴(kuò)散角為10～25°時(shí)空化效果最好[12]。

綜上所述，LES模型可以更好地捕捉渦環(huán)分布和空化云演變規(guī)律，采用LES方法可以更精確地優(yōu)化風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高清洗效率。當(dāng)壓力不同時(shí)，優(yōu)選出的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)可能不同，為此，筆者采用數(shù)值模擬研究方法在12 MPa低壓工況下進(jìn)行風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)理論公式確定圓柱段直徑，借鑒已有的研究成果，采用大渦模擬方法對(duì)風(fēng)琴管噴嘴圓柱段長(zhǎng)度、擴(kuò)散段長(zhǎng)度和擴(kuò)散角角度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。對(duì)比分析優(yōu)化前后的風(fēng)琴管噴嘴空化射流流場(chǎng)特性，從而驗(yàn)證優(yōu)化后的風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)空化效果，獲得低壓高效節(jié)能的風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 物理模型

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)蔡騰飛等對(duì)風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果[13]，結(jié)合實(shí)際清洗應(yīng)用情況，確定了噴嘴初始結(jié)構(gòu)（圖1），主要包括入口腔、諧振腔、圓柱段和擴(kuò)散段，尺寸參數(shù)如下：

入口直徑D 6.4 mm

諧振腔直徑D 3.2 mm

圓柱段直徑d 1 mm

入口長(zhǎng)度L 5.2 mm

諧振腔長(zhǎng)度L 5 mm

圓柱段長(zhǎng)度L 1 mm

擴(kuò)散段長(zhǎng)度L 2 mm

擴(kuò)散角角度θ 15°

1.2 網(wǎng)格劃分

為保證噴嘴入口來(lái)流的充分發(fā)展，將入口長(zhǎng)度向上游延長(zhǎng)至5倍入口直徑，即32 mm。為使流場(chǎng)充分發(fā)展，所將噴嘴外部設(shè)置為出口段，出口段屬于外流場(chǎng)研究區(qū)域。為了避免出口處產(chǎn)生回流從而影響射流區(qū)域，將出口長(zhǎng)度設(shè)為80 mm，直徑為20 mm。風(fēng)琴管噴嘴空化射流流體計(jì)算域如圖2所示。

用ICEM軟件建模，對(duì)流體域進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為六面體。由于圓柱段、擴(kuò)散段部位屬于發(fā)生空化射流的核心區(qū)域，所以進(jìn)行加密處理。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如圖3所示，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為72萬(wàn)、188萬(wàn)、307萬(wàn)和420萬(wàn)。通過(guò)對(duì)比模擬后的最大氣相體積分?jǐn)?shù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到307萬(wàn)時(shí)，最大氣相體積分?jǐn)?shù)變化不超過(guò)2%。綜合考慮計(jì)算精度與時(shí)間成本，最終選擇307萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)作為后續(xù)計(jì)算模型，其網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2 控制方程與模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 大渦模擬控制方程

大渦模擬通過(guò)濾波函數(shù)將湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)分解成大尺度渦與小尺度渦，將連續(xù)性方程與動(dòng)量方程濾波后得：

+=0（1）

+=-+（μ-τ）（2）

τ=-2μS+τδ（3）

其中，ρ為混合相密度，[u][～]、[u][～]為i、j方向?yàn)V波后的速度分量，[p][～]為濾波后的壓力，μ為混合相動(dòng)力黏度系數(shù)，τ為亞格子應(yīng)力項(xiàng)，S為平均應(yīng)變率張量，δ為Kronecker delta（克羅內(nèi)克）函數(shù)，τ為亞網(wǎng)格尺度應(yīng)力的各向同性部分。

2.2 空化模型

選擇合適的空化模型對(duì)準(zhǔn)確描述空化噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)具有重要影響。依據(jù)文獻(xiàn)[14]的相關(guān)研究，Zwart?Gerber?Belamri（ZGB）模型計(jì)算精度高，適用于描述復(fù)雜流場(chǎng)，且具有較好的收斂性，其蒸發(fā)率R與凝結(jié)率R表達(dá)式如下：

R=F（4）

R=F （5）

其中，F(xiàn)為蒸發(fā)率系數(shù)，α為氣泡體積分?jǐn)?shù)，α為氣相體積分?jǐn)?shù)，ρ為氣相密度，R為氣泡半徑，p為飽和蒸氣壓，p為局部壓力，ρ為液相密度，F(xiàn)為凝結(jié)率系數(shù)。

2.3 模擬參數(shù)設(shè)置

空化射流屬于氣液兩相流動(dòng)，氣相為水蒸氣，液相為25 ℃的水，液相密度1 000 kg/m3，飽和蒸汽壓3 169 Pa。使用雙精度壓力基求解器進(jìn)行數(shù)值模擬，多相流采用Mixture模型，壁面無(wú)滑移速度?？栈Ｐ瓦xZGB模型，亞格子模型選用壁面適應(yīng)的局部渦黏（WALE）模型。邊界條件分別為壓力入口和壓力出口，入口壓力12 MPa，出口壓力為大氣壓，連續(xù)性曲線收斂精度10-5。選用Coupled算法進(jìn)行速度-壓力耦合，瞬態(tài)項(xiàng)方程采用Bounded Second Order Implicit，壓力項(xiàng)為PRESTO！方法，初始化方式選用全局初始化，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為10-5 s。

3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)空化云對(duì)比

游離型空化泡潰滅時(shí)，近壁處產(chǎn)生微射流，從而產(chǎn)生速度快、打擊力強(qiáng)的高壓脈沖以實(shí)現(xiàn)對(duì)污垢的清洗。因此，通過(guò)分析空化云演變規(guī)律可以預(yù)測(cè)噴嘴清洗效率。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為10-5 s，每10步自動(dòng)保存一次，即每0.1 ms記錄一次空化云狀態(tài)。空化射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由儲(chǔ)水箱、柱塞泵、壓力表、風(fēng)琴管噴嘴、實(shí)驗(yàn)水箱及高速攝像機(jī)等組成，根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)研究設(shè)置實(shí)驗(yàn)具體參數(shù)[6]。為保證空化云發(fā)展周期與模擬時(shí)間保持一致，高速攝像機(jī)曝光時(shí)間設(shè)為100 μs，拍攝頻率為10 000 fps（1 fps=0.304 m/s）。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究空化云演變規(guī)律如圖5、6所示。

空化云的發(fā)展具有連續(xù)的周期性，具有初生期、發(fā)展期、脫落期和潰滅期4個(gè)階段，從圖5、6可以看出，空化云開(kāi)始脫落的時(shí)間為0.0、0.8、

1.6 ms，脫落周期在0.8 ms左右。0.0～1.5 ms是一個(gè)完整的空化云演變周期，空化泡在0 ms時(shí)產(chǎn)生，在0.1～0.7 ms時(shí)間段內(nèi)屬于發(fā)展期，在0.8 ms開(kāi)始脫落，脫落后的空化云不斷潰滅直至1.5 ms后消失。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，LES模型空化云分布情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了筆者所建立的LES空化射流數(shù)值計(jì)算模型可以準(zhǔn)確地模擬風(fēng)琴管噴嘴空化射流規(guī)律。下面采用LES模型進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)選噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 正交試驗(yàn)

4.1 正交試驗(yàn)因素水平及指標(biāo)確定

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)利用正交性挑選出具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效率的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其利用較少的試驗(yàn)次數(shù)即可得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[15]。筆者采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而更準(zhǔn)確地找到風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合。

風(fēng)琴管噴嘴的圓柱段直徑是確定其他參數(shù)的依據(jù)[16]。圓柱段直徑的最佳理論公式為：

d=（）×1.05-b（6）

其中，q為泵的額定流量，p′為泵的額定壓力，n為噴嘴個(gè)數(shù)，修正系數(shù)b的范圍為0.1～0.3。代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得d=1 mm。

圓柱段直徑與壓力值確定后，研究圓柱段長(zhǎng)度、擴(kuò)散段長(zhǎng)度和擴(kuò)散角角度對(duì)空化射流的影響，并對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)選[11]。從空化效果與射流速度兩方面評(píng)價(jià)噴嘴清洗性能。圓柱段和擴(kuò)散段為空化產(chǎn)生的核心區(qū)域，該位置的空泡含量影響著空化作用的強(qiáng)弱，因此選取核心區(qū)域位置的最大氣相體積分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)。同時(shí)，空泡潰滅產(chǎn)生的射流速度是打擊力的關(guān)鍵參數(shù)，從而影響清洗效果，因此將選取目標(biāo)靶距的平均射流速度作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)。

設(shè)計(jì)采用三因素四水平（表1）的正交試驗(yàn)法來(lái)確定影響清洗效果的主次因素。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用大渦數(shù)值模擬方法對(duì)16組試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析得到最優(yōu)參數(shù)組合。

4.2.1 最大氣相體積分?jǐn)?shù)極差分析

最大氣相體積分?jǐn)?shù)極差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

三因素各水平下的最大氣相體積分?jǐn)?shù)如圖7所示。可以看出，擴(kuò)散角角度（因素C）為最大氣相體積分?jǐn)?shù)的主要影響因素，其值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在水平3時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，為97.10%;圓柱段長(zhǎng)度（因素A）為最大氣相體積分?jǐn)?shù)的次要影響因素，其值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在水平3時(shí)，氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，為96.57%;擴(kuò)散段長(zhǎng)度（因素B）為最弱影響因素，最大氣相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在水平4處達(dá)到最大值，為96.72%。

因此，當(dāng)最大氣相體積分?jǐn)?shù)為性能檢測(cè)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)參數(shù)結(jié)構(gòu)的組合為A3B4C3，即最優(yōu)方案。

4.2.2 目標(biāo)靶距平均速度極差分析

針對(duì)內(nèi)徑62 mm的管道清洗時(shí)，目標(biāo)靶距選取12 mm，射流打擊力大小由目標(biāo)靶距位置射流速度決定，因此分析出口位置12 mm處平均速度極差情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

三因素各水平下的平均速度如圖8所示?？梢钥闯?，隨著圓柱段長(zhǎng)度的增加，目標(biāo)靶距位置處平均速度也逐漸增大，在水平4處平均速度達(dá)到了最大值，為43.10 m/s;隨著擴(kuò)散段長(zhǎng)度的增加，目標(biāo)靶距位置處的平均速度呈出出先增大再減小的趨勢(shì)，在水平2處平均速度達(dá)到了最大值，為43.49 m/s;隨著擴(kuò)散角角度的增加，目標(biāo)靶距位置處平均速度先減小后增大再減小，在水平3處平均速度達(dá)到最大值，為43.90 m/s。其優(yōu)選出的組合分布與極差分析一致，因此，當(dāng)平均速度為性能檢測(cè)指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)參數(shù)結(jié)構(gòu)組合為A4B2C3，即最優(yōu)方案。

4.2.3 風(fēng)琴管噴嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圓柱段長(zhǎng)度（因素A）對(duì)最大氣相體積分?jǐn)?shù)與平均速度的影響相當(dāng)，但最大氣相體積分?jǐn)?shù)是產(chǎn)生空泡的主要原因，而空泡含量決定了空化作用的強(qiáng)弱，從而對(duì)清洗效率產(chǎn)生重要影響，因此選用A3作為最優(yōu)結(jié)果。擴(kuò)散段長(zhǎng)度（因素B）為平均速度影響的主要因素，是最大氣相體積分?jǐn)?shù)影響的次要因素，平均速度影響著打擊力的大小，因此選用B2作為最優(yōu)結(jié)果。擴(kuò)散段角度（因素C）是最大氣相體積分?jǐn)?shù)影響的主要因素，是平均速度影響的次要因素，由于最大氣相體積分?jǐn)?shù)間接性地決定了空化的強(qiáng)弱，因此選取C3作為最優(yōu)結(jié)果。

綜上，風(fēng)琴管噴嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合為A3B2C3，具體參數(shù)如下：

圓柱段長(zhǎng)度 3 mm

擴(kuò)散段長(zhǎng)度 3 mm

擴(kuò)散角角度 20°

5 噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后流場(chǎng)對(duì)比

5.1 壓力場(chǎng)

5.1.1 壓力云圖

當(dāng)射流過(guò)程中局部氣壓低于相對(duì)溫度下水的飽和蒸氣壓時(shí)，部分液體由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)產(chǎn)生“空泡”，壓力增大到一定程度時(shí)，空泡集中破裂產(chǎn)生“空化”現(xiàn)象。因此噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的壓力分布影響著噴嘴的空化效果。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后模擬得到的負(fù)壓云圖如圖9所示。圖9顯示擴(kuò)散段至出口位置均有負(fù)壓產(chǎn)生，其中，中心區(qū)域?yàn)樨?fù)壓最大區(qū)域，壓力達(dá)到-97.8 kPa。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)負(fù)壓區(qū)主要在噴嘴出口軸向位置66.8 mm內(nèi)，負(fù)壓范圍為-97.8～-69.8 kPa，壓力波動(dòng)比較明顯，負(fù)壓大且波及范圍廣。初始結(jié)構(gòu)負(fù)壓區(qū)主要在出口軸向位置59.3 mm內(nèi)產(chǎn)生，除中心區(qū)域外，負(fù)壓范圍主要集中在-69.8～-41.9 kPa，負(fù)壓值與負(fù)壓范圍均較小。負(fù)壓大有利于空化產(chǎn)生，負(fù)壓范圍大有利于空化泡發(fā)展，因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)空泡更多，發(fā)展更充分。

5.1.2 目標(biāo)靶距位置壓力分布

在目標(biāo)靶距位置徑向上創(chuàng)建一條過(guò)圓心的線段，近壁面總壓為0，因此截取-5～5 mm區(qū)域觀測(cè)壓力分布情況，優(yōu)化前后風(fēng)琴管噴嘴模擬的壓力分布曲線如圖10所示?？梢钥闯?，優(yōu)化前后壓力分布呈尖塔形狀，分布比較集中，均處于中心位置處。優(yōu)化前的噴嘴最大壓力為10.8 MPa，優(yōu)化后最大壓力為12.0 MPa。因此，優(yōu)化后的風(fēng)琴管噴嘴打擊力更大，清洗效率更高。

5.2 速度場(chǎng)

5.2.1 速度云圖與矢量圖

速度云圖及矢量圖分布如圖11所示?？梢钥闯?，噴嘴優(yōu)化前后的核心位置處速度均達(dá)到

160 m/s并產(chǎn)生射流。隨著射流卷吸、附面層分離和空泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大與破裂，射流影響區(qū)域不斷增大。壓力與速度發(fā)生振蕩在矢量圖中體現(xiàn)為渦流。初始結(jié)構(gòu)模擬的速度矢量主要在徑向9.8 mm范圍內(nèi)發(fā)生振蕩，但振蕩不明顯。優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)模擬得到的流場(chǎng)徑向16.6 mm范圍內(nèi)有明顯振蕩。因此，優(yōu)化后的噴嘴空化射流流場(chǎng)產(chǎn)生渦量更多。

5.2.2 軸線速度分布

優(yōu)化前后風(fēng)琴管噴嘴空化射流流場(chǎng)的軸向速度分布曲線如圖12所示?？梢钥闯?，兩種噴嘴結(jié)構(gòu)在入口段軸向速度均無(wú)明顯變化，諧振腔處直徑由6.4 mm縮減至3.2 mm，因此速度均輕微增大。圓柱段直徑縮小至1 mm后，速度均急劇增大到最大值160 m/s，產(chǎn)生射流現(xiàn)象，并在噴嘴出口附近出現(xiàn)了明顯的等速段。優(yōu)化后的噴嘴模擬得到的等速段長(zhǎng)度約為初始結(jié)構(gòu)的1.27倍，等速段越長(zhǎng)，射流速度越高。在噴嘴出口位置附近初始

結(jié)構(gòu)速度最小值為20 m/s，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)速度最小值為47 m/s。在噴嘴出口位置附近，優(yōu)化后的噴嘴模擬得到的軸向速度值振蕩更明顯，渦量更多。因此，優(yōu)化后的噴嘴在射流過(guò)程中，由于速度較大從而產(chǎn)生了更大的打擊力，提高了清洗效率。

5.2.3 外流場(chǎng)不同位置速度分布

優(yōu)化前后風(fēng)琴管噴嘴空化射流流場(chǎng)在x=

50 mm與x=80 mm位置徑向速度變化曲線如圖13所示?？梢钥闯?，x=50 mm位置處，由于流體高速流出噴嘴且形成等速核，因此振蕩不明顯。初始結(jié)構(gòu)速度達(dá)到158 m/s，但射流寬度僅為2.5 mm。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)速度為155 m/s，在峰值處有輕微振蕩，射流寬度約6 mm，極大地提高了清洗效率。在x=80 mm位置處，由于流體在出口位置充分發(fā)展，因此會(huì)向邊壁發(fā)散，從而引起速度振蕩。初始結(jié)構(gòu)模擬的速度為45 m/s，振蕩范圍較小，僅在徑向-2.5～2.5 mm之間有輕微振蕩。優(yōu)化后的噴嘴速度為92 m/s，在徑向-5～5 mm范圍內(nèi)有明顯振蕩。因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)有更多渦產(chǎn)生，空化作用更強(qiáng)。

5.3 空化云對(duì)比分析

優(yōu)化前后同一時(shí)刻的氣相分布云圖如圖14所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)模擬得到的空化云長(zhǎng)度約89.8 mm，寬度為12.3 mm。初始結(jié)構(gòu)的噴嘴模擬得到的空化云長(zhǎng)度約80.2 mm，寬度為9.2 mm?？栈崎L(zhǎng)度與寬度決定了噴嘴清洗范圍與有效清洗面積。因此，優(yōu)化后的風(fēng)琴管噴嘴空化效果顯著提高。

6 結(jié)論

6.1 采用LES數(shù)值模擬方法，基于三因素四水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)極差分析得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)是圓柱段長(zhǎng)度為3 mm，擴(kuò)散段長(zhǎng)度為3 mm，擴(kuò)散角角度為20°。

6.2 通過(guò)對(duì)比分析風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后的壓力場(chǎng)可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)負(fù)壓區(qū)集中在出口段66.8 mm內(nèi)，初始結(jié)構(gòu)負(fù)壓區(qū)集中在出口段59.3 mm內(nèi)。優(yōu)化后的噴嘴空化云發(fā)展更充分。

6.3? 通過(guò)對(duì)比分析風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后的速度場(chǎng)可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)等速核長(zhǎng)度約為初始結(jié)構(gòu)的1.27倍，等速段越長(zhǎng)射流速度越高。優(yōu)化后的噴嘴射流速度更大，對(duì)管道清洗更加有利。

6.4 通過(guò)對(duì)比分析風(fēng)琴管噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后的氣相分布云圖可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)較初始結(jié)構(gòu)的空化云長(zhǎng)度增加了9.2 mm，寬度增加了

3.1 mm。優(yōu)化后的噴嘴空化云長(zhǎng)度、寬度都有所增加，因此空化效果更好，有效清洗面積與清洗效率更高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李根生，沈忠厚.常壓下淹沒(méi)自振空化射流沖蝕巖石效果的試驗(yàn)研究[J].華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1987（3）：12-22.

[2] 吳同鋒，蔡曉君，劉湘晨，等.基于高壓水射流的管道清洗方案設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械，2017，44（1）：43-46.

[3] 劉峰，朱南文，王亞林，等.射流空化技術(shù)處理乳化含油廢水的研究[J].石油與天然氣化工，2005，34（5）：416-419.

[4] 龐雷，王永強(qiáng)，魯飛，等.鉆井泥漿罐自動(dòng)化清洗與回收成套設(shè)備研制[J].流體機(jī)械，2020，48（7）：12-15;21.

[5] DESANTES J M，PAYRI R，SALVADOR F J，et al.Influence of cavitation phenomenon on primary break?up and spray behavior at stationary conditions[J].Fuel，2010，89（10）：3033-3041.

[6] 王連安，徐艷，王尊策，等.風(fēng)琴管噴嘴空化水射流流場(chǎng)的大渦模擬[J/OL].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)：1-10[2024-05?03].https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003?8728.2023

0072.

[7] 李貴東，王洋，楊學(xué)明，等.基于大渦模擬的射流式離心泵射流器內(nèi)部的流動(dòng)特性[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，35（5）：369-374.

[8] 暴春航，龍新平，梁蘊(yùn)致，等.高壓水射流噴水推進(jìn)裝置空化流動(dòng)及推力特性仿真分析[J].液壓與氣動(dòng)，2023，47（1）：32-43.

[9] 王萍輝，方湄.空化水射流清洗的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦機(jī)械，2004（1）：37-40.

[10] 郭世建.基于空化射流的油管內(nèi)壁清洗技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：東北石油大學(xué)，2018.

[11] 楊涵.空化射流噴嘴流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[D].成都：西華大學(xué)，2015.

[12]?? CAI T F，PAN Y，MA F.Effects of nozzle lip geometry on the cavitation erosion characteristics of self?excited cavitating waterjet[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2020，117：110137.

[13] 蔡騰飛，潘巖，馬飛，等.噴嘴出口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)琴管射流空化作用的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（18）：150-156.

[14] 曹東剛，何國(guó)強(qiáng)，潘宏亮，等.三種空穴模型在可調(diào)汽蝕文氏管數(shù)值模擬中的對(duì)比研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（4）：596-601.

[15] 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[16] 李根生，沈忠厚，周長(zhǎng)山，等.自振空化射流研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)工程科學(xué)，2005，7（1）：27-32.

（收稿日期：2023-04-21，修回日期：2024-05-07）