自帶整流片的噴嘴結(jié)構(gòu)研究

朱博垚，于蘭英，劉桓龍，鄧斌，柯堅(jiān)

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

利用壓力水柱對接觸網(wǎng)絕緣子進(jìn)行定期沖洗是避免鐵路接觸網(wǎng)絕緣子污穢閃絡(luò)的有效措施。電氣化鐵道絕緣子帶電水沖洗裝備利用列車運(yùn)行間隙實(shí)現(xiàn)帶電沖洗作業(yè)，極大地提高了工作效率，大幅減低了勞動強(qiáng)度。該裝備中，噴嘴的結(jié)構(gòu)和加工精度直接決定了沖洗效果。噴嘴射流要求水柱核心段長，水流出噴嘴后不散射，減少水流的湍流強(qiáng)度，從而提高沖洗打擊力。

文中以水沖洗裝備用8 mm 噴嘴為對象，研究在噴嘴出口直線段增設(shè)整流片對射流效果的影響。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)

整流片噴嘴結(jié)構(gòu)在普通圓錐收斂型噴嘴的出水直段中加設(shè)整流片，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整流片的分布與結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 自帶整流片的噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2 整流片的分布結(jié)構(gòu)

2 仿真建模

2.1 網(wǎng)格劃分

使用FLUENT 前置處理軟件Gambit 建立整流片噴嘴內(nèi)外部流場的3D 模型，如圖3 所示。以噴嘴右邊端面中心為原點(diǎn)，Z 軸正方向?yàn)榱黧w射入方向。

圖3 噴嘴流場模型

2.2 邊界條件設(shè)置

噴嘴內(nèi)外部流場涉及到氣體和液體的混合二相流，仿真采用VOF 多相流模型和RNG κ－ ε 湍流模型。

(1) 射流介質(zhì)為普通自來水，密度為998 kg/m3，黏度為0.001 003 Pa·s?？諝饷芏葹?.225 kg/m3，黏度為1.789 ×10－5Pa·s;

(2) 采用壓力邊界條件，入口壓力設(shè)為1 MPa，出口壓力設(shè)為0;

(3) 湍流參數(shù)選擇為湍流強(qiáng)度和水力直徑，其中湍流強(qiáng)度可以用下面的公式來估算:

式中: Re 是雷諾系數(shù)，下標(biāo)DH是水力直徑，它等于4 倍的流通面積比上濕潤周長;

(4) 固體壁面無滑移，射流速度垂直于入口。

3 結(jié)果與分析

3.1 整流片數(shù)量對噴嘴射流的影響

圖4 不同整流片數(shù)的噴嘴速度分布圖

整流片數(shù)量分別取3、4、5。取外流場長度1 000 mm，計算結(jié)果見圖4。

由圖4 可知: 流體經(jīng)過收縮段后速度急劇增加，接近外流場出口壁時速度急劇下降至0。表1 為不同整流片數(shù)在噴嘴出口和距離噴嘴出口1 000 mm 處軸心速度的對比。

表1 不同整流片數(shù)的速度對比

由表1 可知: 隨著整流片數(shù)的增加，出口段面積減小，在噴嘴出口處流體的速度也隨之增加; 在距噴嘴出口1 000 mm 處，由于整流片的整流作用，減小了流體的能量損失，使流體速度減小變緩，但并不是整流片片數(shù)越多整流效果越好，其中速度減小率最低為4 片整流片的噴嘴，為2.39%，最高為3 片整流片的噴嘴，為3.81%。

圖5 為不同數(shù)目的整流片噴嘴軸心線上的湍流強(qiáng)度。加入整流片后，在噴嘴出口段流體的湍流強(qiáng)度較低壓圓錐收斂型噴嘴的湍流強(qiáng)度有了明顯降低。隨著整流片數(shù)目的增加，4 片整流片噴嘴的流體湍流強(qiáng)度最低，整流效果最好，水柱更集中，明顯優(yōu)于3 片整流片噴嘴和5 片整流片噴嘴。

由圖6 可知: 4 片整流片噴嘴的動壓最大，但3、5 片整流片噴嘴與原噴嘴相比動壓較小。由表2 可知: 4 片整流片噴嘴流體壓力值最大，射程最遠(yuǎn)。

圖5 軸心線上水的湍流度圖

圖6 軸心線上動壓曲線圖

表2 不同整流片數(shù)的動壓對比

3.2 整流片長度對噴嘴射流的影響

由第3.1 節(jié)可知: 當(dāng)整流片數(shù)為4 片時具有較好的整流效果，并且射程最遠(yuǎn)。保持進(jìn)口壓力為1 MPa，出口壓力為大氣壓，整流片數(shù)為4 片，分別取整流片長度21.4、15 和10.7 mm。圖7 為不同整流片長度噴嘴的速度分布圖。

圖7 不同長度整流片噴嘴的速度曲線圖

表3 不同整流片長度的速度對比

由表3 可以看出: 當(dāng)整流片長度不同時，在軸心方向噴嘴出口和距離噴嘴出口1 000 mm 處速度基本不變。

由圖8 可以看出: 不同長度整流片的噴嘴軸心線上湍流強(qiáng)度隨著長度的減小而增大，特別是整流片長度從15 mm 減小到10.7 mm 時，湍流強(qiáng)度有較明顯的增加，長度為21.4 mm 的整流片噴嘴整流效果最好。

由圖9 可知: 不同長度整流片噴嘴在出口處動壓幾乎一致，但隨著噴射距離的增加，在噴嘴出口500 mm 處，15 和10.7 mm 的整流片噴嘴動壓開始減小，其中15 mm 整流片的噴嘴動壓最小。由表4 可知，21.4 mm 長的整流片噴嘴水流具有較高壓力，具有較遠(yuǎn)射程。

圖8 軸心線上水的湍流度圖

圖9 軸心線上動壓曲線

表4 不同整流片數(shù)的動壓對比

4 結(jié)論

(1) 整流片噴嘴具有減小流體湍流強(qiáng)度的效果，可提高有效射程。

(2) 噴嘴中整流片數(shù)量對噴嘴軸心線上速度影響較小。

(3) 整流片的長度對噴嘴軸心線上速度影響較小，但整流片長度的減小會減小噴嘴的動壓，導(dǎo)致噴嘴的射程縮短。

(4) 對于文中討論的噴嘴，整流片為4 片、片長為21.4 mm 時整流效果最好。

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