扇形喷嘴的低压射流特性研究

林翔，刘桓龙，王国志，柯坚，于兰英

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 前言

近年来，水射流清洗技术在各个行业应用越来越广泛。喷嘴作为水射流的关键部件，其作用效果直接影响清洗效果。喷嘴按形状分为圆柱形喷嘴、扇形喷嘴和异型喷嘴。扇形喷嘴具有打击力大、简单实用、喷射均匀等优点。国内外学者大多研究收缩－扩张型的圆柱形喷嘴，但是对非轴对称的扇形喷嘴研究还较少，特别是扇形喷嘴的内外流场特性研究。

文中通过改变扇形喷嘴的几何参数，利用FLUENT的可视化数值模拟功能来研究扇形喷嘴内外流场，优化扇形喷嘴结构，为扇形喷嘴的设计选择提供了参考。

1 喷嘴结构

扇形喷嘴的内表面通常为半椭圆面或半球面，半球面为半椭圆面的特例。喷嘴顶端有一个V型槽，V型槽两个斜面关于扇形喷嘴轴线对称，半球面经V形切槽切削后，在扇形喷嘴头部形成椭圆形喷嘴出口，射流为扁平扇形。半球面扇形喷嘴结构如图1所示。

如图1所示，D为射流入口直径，d为喷嘴入射断面直径，b为切槽相对偏移量，a为V形槽角度的一半，H为入口圆柱段长度，h为收缩段长度，L为入射圆柱段长度。

图1 扇形喷嘴结构示意图

文中主要对不同结构参数扇形喷嘴的内外部流场进行研究，分析关键结构参数对射流性能的影响，有助于为清洗设备选择合适的喷嘴规格。所研究的扇形喷嘴参数为:D=10 mm，d=4 mm，H=10 mm，h=4 mm，L=3 mm。

2 仿真建模

2.1 网格划分

使用Fluent前置处理软件Gambit建立扇形喷嘴的内外部流场的3D模型，喷嘴外部流场长200 mm，如图2所示。以喷嘴右边端面中心为原点，z轴正方向为流体射入方向。

图2 扇形喷嘴网格模型

为了提高仿真精度，使用六面体网格与四面体网格划分相结合的方式划分网格，并对圆柱段的网格进行加密处理。

2.2 边界条件设置

扇形喷嘴内外部流场涉及到气体和液体的混合二相流，所以仿真采用VOF多相流模型和RNGκ－ε湍流模型。

(1)扇形喷嘴使用消防水，密度为998 kg/m3，黏度为0.001 003 Pa·s，空气密度为1.225 kg/m3，黏度为1.789×10－5Pa·s。

(2)入口边界条件为压力入口边界，入口压力为1.5 MPa;出口边界条件为压力出口边界，0 MPa。

(3)湍流参数选择为湍流强度和水利直径。(4)避免光滑无滑移，水入射方向垂直于入口。(5)将外流场尽头设置为壁面，使流体冲击壁面仿真出打击力。

3 结果与分析

3.1 切槽角度的影响

图3为切槽角度为116°，110°和104°的扇形喷嘴z轴方向速度曲线图。

图3 扇形喷嘴z轴方向速度图

由图3可知，3个喷嘴速度变化趋势都大致相同:射流速度在喷嘴收缩段时随着截面变小实现第一次加速，在拐角时达到局部最大值;圆柱段时持续加速，在喷嘴喷头时随截面收缩实现第二次加速，达到最大值;在流体离开喷嘴后空化，随着流体距出口距离的增加，流体速度缓慢降低;在流体冲击到壁面时，速度急速减小为0。在流体出喷嘴后，随着切槽角度的增加，喷嘴速度衰减慢。

图4为切槽角度为116°，110°，104°扇形喷嘴的速度云图。

图4 速度云图

由图4可知，V形切槽角度变化时，最大速度变化较小，随切槽角度增大慢慢减小，切槽角度为116°，110°和104°时扇形喷嘴所对应最大速度为49.35 m/s，49.58 m/s和49.64 m/s，最大速度在慢慢增大。但是可以看到随着切槽角度的变大，流体覆盖的区域变小，打击范围越来越小，能清洗的范围变小。

表1为V形切槽角度分别为116°，110°和104°时扇形喷嘴的打击力和流量。

表1 不同V形切槽时的打击力和流量

可以看出随着切槽角度的增大，打击力随之变大;流量也随之增大，清洗能力增加。

图5为切槽角度为116°，110°，104°扇形喷嘴内外流场的含水量云图。

图5 含水量云图

由图5可以看出，扇形面上z轴上含水量要比二侧低。通过比较可知，切槽角度会影响散射角，切槽角度越大，流体散射角越小，能够清洗的范围越小。

图6为切槽角度为116°，110°，104°的扇形喷嘴z轴方向含水量曲线图。

图6 扇形喷嘴z轴方向含水量

由图6可以看出流体出喷嘴后，急速空化，含水量直线下降，然后在外流场中含水量进一步降低。并且通过对比可知，随着切槽角度的增加，z轴方向上水体积分数增大，空化效果降低。

3.2 切槽相对偏移量的影响

仿真得出切槽相对偏移量为0，0.3 mm，0.6 mm的扇形喷嘴所对应的最大速度分别为49.35 m/s，50.43 m/s和51.43 m/s。所以，随着球面中心到V形槽底部的长度的增加，外流场最大速度增加。

图7为切槽相对偏移量为0，0.3 mm，0.6 mm的扇形喷嘴的速度曲线图。

图7 扇形喷嘴z轴方向速度图

由图7可知，切槽相对偏移量越大的喷嘴，在喷嘴收缩段获得速度越小，但是在喷嘴出口所达到的速度越大，随着流体距出口距离的增加，速度衰减得也越快。

表2为切槽相对偏移量为0，0.3 mm，0.6 mm的扇形喷嘴时的打击力和流量。

表2 不同切槽相对偏移量b时的打击力和流量

由表2得，随着切槽相对偏移量的增加，打击力变小，流量越来越少，清洗能力降低。

图8是切槽相对偏移量为0，0.3 mm，0.6 mm的扇形喷嘴含水量云图。

图8 含水量云图

由图8可得:随着切槽相对偏移量的增加，流体散射角基本不变，但是含水量降低，扇形面上z轴上含水量要比二侧低。

图9为切槽相对偏移量为0，0.3 mm，0.6 mm的扇形喷嘴水的体积分数曲线图。

图9 扇形喷嘴z轴方向水的体积分数

由图9可看出，随着切槽相对偏移量的增加，流体在出喷嘴出口时含水量越低，z轴方向上的水体积分数减小，空化效果增加。

4 结论

(1)在同等条件下，随着V形切槽角度的增加，外流场最大速度减小，速度在外流场中衰减慢，流量增加，打击力也随之增加，但是空化效果降低，z轴方向含水量增加，清洗能力增加。

(2)在同等条件下，随着切槽相对偏移量的增加，外流场最大速度变大，但是速度衰减快，流量减小，打击力减小，空化效果增加，z轴方向含水量减小，清洗能力降低。

(3)切槽角度会影响散射角，切槽角度越大，流体散射角越小，水覆盖的区域越小，能够清洗的范围越小。

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