高压水射流清洗设备异形喷嘴内部流场的性能研究

刘军，吕海霆，王琳

(大连科技学院 机械工程系，辽宁 大连 116052)

高压水射流清洗设备异形喷嘴内部流场的性能研究

刘军，吕海霆，王琳

(大连科技学院 机械工程系，辽宁 大连 116052)

喷嘴是高压水射流清洗设备终端的重要执行元件，针对圆锥形和棱锥形两种不同结构形式的喷嘴，利用流体力学的计算方法对其高压水射流流场的压力、轴向速度、及孔口出口处的湍流动能进行了数值模拟分析，并对两种喷嘴进行了比较。结果表明，虽然棱锥形喷嘴具有较好的聚集流束的作用，但在同样流量的情况下，其内部流场的压力变化梯度较大，出口速度远大于圆锥形喷嘴，且出口湍流动能较大，流动稳定性弱于圆锥形喷嘴。

高压水射流；清洗设备；异形喷嘴；射流流场

0 前言

高压水射流技术是近年来发展十分迅猛的一门新兴技术，是利用高压水发生设备产生高压水，通过喷嘴将压力转变为高度聚集的水射流动，能完成清洗、切割、破碎等各种工艺的技术[1]。由于高压水射流清洗技术具有不同于传统清洗方法的诸多优点，如清洁率高、清洗速度快、清洗成本低、不损坏被清洗物体、无环境污染等，在欧美一些工业发达国家已成为主流清洗技术，我国现正处于起步阶段。射流结构是射流设备工作效率及其损耗程度的决定性因素，喷嘴的形状对射流结构具有显著的影响。国内外专业人士针对喷嘴形状展开了广泛的探讨和研究，圆柱形喷嘴由于工艺简单而长期占领着喷嘴市场，而收敛型的锥形出口及倾斜的出口端面更有助于增强射流的集束性，正逐渐被采用，尤其是用于高压水射流切割技术。甚至考虑到喷嘴性能的最优化，目前锥直形喷嘴的应用范围也在加大。

1 喷嘴的结构简介

喷嘴是高压水射流清洗设备终端的执行元件，其作用是通过喷嘴内部横截面的收缩形状，将高压水的压力转化为动能，以高速水射流的形式喷出，从而完成对物体表面的清洗目的。可见，喷嘴的内部结构非常重要，其形状决定了出口速度、清洗靶距、以及对被清洗物体表面的水射流打击力[2]。可以说，喷嘴的内部结构在很大程度上直接影响着清洗效果。目前，传统的圆锥形喷嘴结构由于其具有良好的聚集能量和射流的特点，从而可获得较大的射流打击力，同时圆锥形结构易于制造出表面高品质的喷嘴，因此长期占领了水射流清洗设备市场。美国Aqua-Dyne公司已经研制出了各种类型的异形喷嘴，异形喷嘴以具有锐边的平面防止空气卷裹射流，因此，在较大靶距下能提高水射流的集束性能，且具有优越的工作效率，其中的正三角形喷嘴正以其独有的特点占有喷嘴市场的一定份额[3]。

2 异形喷嘴的模型

为了充分利用圆锥形喷嘴与正三角形异形喷嘴的优势，文中采用了棱锥形喷嘴作为分析对象，与传统的圆锥形喷嘴的几何模型选定为如下参数：喷嘴的长度取为l=30mm、收缩角为40°[4]，出口直径取长靶距清洗距离常用的d=10mm。为了便于二者进行性能对比，设定二者的水流压力、进出口当量横截面面积均相同，所选定的进口当量直径为D=20mm，出口当量直径为d=10mm[5]，棱锥形喷嘴的进出口边长分别为27mm和13.5mm，为使研究问题进一步简化，对模型做了简单处理。根据流体动力学建模方法，建立了如图1所示的两种喷嘴的仿真模型。

图1 喷嘴的仿真模型

假定流体是连续不可压缩的理想流体，且进入喷嘴的速度是均匀的，属于非淹没连续射流。通过雷诺数的计算判断，棱锥形喷嘴与圆锥形喷嘴的雷诺数远远大于各自的临界雷诺数，可知两种喷嘴均为湍流模型，分子之间的黏性可以忽略[6]。由于射流场处于高湍流状态，因此采用标准的k-ε双方程模型进行数值模拟，湍流动能方程k和扩散方程ε为：

其中：

式中：μi——— 湍流粘度；

Gk——— 由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；

YM——— 可压湍流中脉动扩张的贡献 ；

Mt——— 湍动Mach数；

a——— 声速。

为了分析喷嘴的轴向压力、轴向速度和出口方向的湍流流动性能，考虑到两种喷嘴的几何特征，所以棱锥形喷嘴的湍流模型采用三维求解器，圆锥形喷嘴采用二维求解器，二者求解器均采用压力速度耦合算法。其中，经验常数取值为：C1=1.44，C2=1.92，Cμ=0.09，湍流普朗特数取值为σk=1.0，σε=1.3。

设定喷嘴入口(Edge1) 边界条件为压力入口条件 (pressure inlet)，压力值为 5 MPa；设定喷管壁面为无滑移绝热壁面；设定 (Edge4) 边界条件为压力出口条件 (pressure outlet)，操作压力为101 325 Pa，不计重力影响，离散格式采用二阶迎风格式[7]。

3 射流流场的仿真分析

3.1 轴向压力分析

两种喷嘴的轴向压力云图和压力曲线图如图2、图3所示，从图中可以看出，喷嘴横截面形状的敏感度对进出口压降的影响很大，棱锥形喷嘴的压降比较突兀，尤其是入口棱尖角处有较大面积区域的压力数值达到最大值，而圆锥形喷嘴入口边缘处压力数值较大的区域面积非常小，整个内部流场压降相对平缓一些。

图2 轴向压力云图

图3 轴向压力曲线图

3.2 轴向速度分析

两种喷嘴的轴向速度云图和曲线图如图4、图5所示，棱锥形喷嘴的入口速度比圆锥形喷嘴的低很多，相差数值为26m/s，出口速度与圆锥形喷嘴比较接近，相差数值为1m/s。在横剖面上高低位置不同速度不同，呈现多样化。速度在喷嘴长度的中间位置才开始快速增高。而圆锥形喷嘴内的轴向速度呈现平缓的梯度变化，在横剖面上高低位置不同速度比较接近，速度数值呈对称性[8]。

图4 轴向速度云图

图5 轴向速度曲线图

3.3 出口湍流动能分析

两个喷嘴的出口湍流动能如图6所示。棱锥形喷嘴的湍流动能增加区域集中于三角形横剖面的几何中心区域，且从距入口10mm集中于棱边处才开始，临近出口10mm的一段距离内，具有比圆锥形喷嘴大得多的湍流动能，尤其是三个棱边处达到了最大的湍流动能，相差数值为5.5m2/s2。圆锥形喷嘴的湍流动能增加区域集中于圆形横剖面的中心区域，且从入口边缘即开始，呈现抛物线形变化，从进口到出口内的湍流动能呈现平缓递增的梯度变化，说明喷嘴横截面形状的敏感度对出口湍流动能的影响很大。

图6 出口湍流动能云图

4 结语

将高压水射流清洗设备中的棱锥形喷嘴和传统的圆锥形喷嘴所产生的内部射流流场进行了模拟计算和分析，为异形喷嘴的应用和研究提供一定的参考依据。

1) 轴向压力：在入口压力相同的条件下，虽然入口压力相同，但是由于内部结构的不同，导致两者出现的压力变化梯度不同。棱锥形喷嘴内部流场的压力变化梯度较大，而圆锥形喷嘴的变化比较平稳，说明喷嘴横截面形状的敏感度对进出口压降的影响很大。

2) 轴向速度：随着入口压力的增加，棱锥形喷嘴的入口速度比圆锥形喷嘴的低很多，出口速度与圆锥形喷嘴比较接近。

3) 喷嘴出口湍流动能：棱锥形喷嘴临近出口处，具有比圆锥形喷嘴大得多的湍流动能，尤其是三个棱边处达到了最大的湍流动能，意味着前者的流动稳定性更弱一些，而后者的流动稳定性更好一些。

[1] 卢晓江，何迎春，赖维. 高压水射流清洗技术及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[2] 杨敏官，肖胜男，康灿. 出口形状对中心体喷嘴射流性能的影响[J]. 流体机械，2011，(5):13-19.

[3] 左海宁，白璐，周家日，等. 异形喷嘴内部流场的可视化研究[J]. 湖南工业大学学报，2013，(1):43-47.

[4] 赵伟民，冯欣华，胡长胜. 不同收缩角对喷嘴性能影响的数值模拟[J]. 矿山机械，2007，(5):112-114.

[5] 黄中华，谢雅. 圆锥形喷嘴结构参数设计研究[J]. 机械设计，2011,(12)：62-65.

[6] 杨国来，周文会，刘肥. 基于FLUENT的高压水射流喷嘴的流场仿真[J]. 兰州理工大学学报，2008，(4):49-52.

[7] 杨国来，李秀华，周文会，等. 圆锥形喷嘴内部结构参数对射流流场的影响[J]. 液压与气动，2009，(5):62-64.

[8] 王科社，海龙，顾瑞龙. 高压水射流喷嘴特性研究[J]. 液压与气动，2007，(6)：76-78.

Performance of Internal Flow Field of Shaped Nozzle with theHigh-pressure Water Jet Cleaning Equipment

LIU Jun, LV Haiting, WANG Lin

(Dalian Institute of Science and Technology，Dalian 116052, China)

Nozzle is important actuator in the terminal of pressure water jet cleaning equipment. For the nozzles with cone and pyramid-shaped structures, this paper uses computational fluid dynamics method to conduct numerical simulation analysis of two nozzles’ pressure, axial velocity and turbulent energy at the exit in the high-pressure water jet flow field. The results show that although the pyramidal nozzle is brought into good effect in the aggregation of the stream, in the case of the same flow, its pressure gradient inside flow field is larger and the exit velocity is much larger than the conical nozzle. The exit turbulent energy is larger and the flow stability is weaker than that of the conical nozzle.

high pressure water jet; cleaning equipment; shaped nozzle; jet flow field

刘军(1969-),女，辽宁大连人，副教授，硕士，主要从事机械优化设计及机械CAD方面的科研和教学工作。

TH123

A

1671-5276(2015)05-0065-03

2014-12-26