袁 聰,張培銘,宋錦春
(1.肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東肇慶 526061; 2.廣西機(jī)械工業(yè)研究院有限責(zé)任公司,廣西南寧 530000;3.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧沈陽 110819)
近年來,隨著流體控制技術(shù)的發(fā)展,高壓噴射流在各種除垢除銹的清洗場合的應(yīng)用變得愈加普遍。高壓噴射清洗設(shè)備普遍涉及狹小的節(jié)流噴嘴,高壓流體經(jīng)過噴嘴產(chǎn)生高速射流,并對噴嘴出口外的物體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)負(fù)載,沖刷物體表面的結(jié)垢或銹跡。為了獲得較好的沖洗效果,國內(nèi)外的學(xué)者們開展了各種有益的探索。
HULTI等[1]研究了淹沒式噴射流的流場尺寸參數(shù)對沖洗效果的影響,揭示了射流沖擊載荷與流場的密切相關(guān)性。王啟博等[2]分析了影響盤式清洗裝置清洗效果的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù),并對噴嘴布局進(jìn)行了優(yōu)化。蔡朋等[3]利用數(shù)值流場模擬研究了淹沒式噴射流的動(dòng)態(tài)流場及噪聲特性。曹澤平等[4]測量了不同參數(shù)設(shè)置下的環(huán)形噴嘴的動(dòng)態(tài)載荷,揭示了靶距對射流沖刷效果的作用規(guī)律。王萍輝等[5]根據(jù)自振射流的工作原理對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析,對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提供了清洗裝置的工作效率及沖刷效果。YANG等[6]通過數(shù)值方法研究了不同噴嘴的流場結(jié)構(gòu),對比分析了噴嘴擴(kuò)散角度與沖刷效果的關(guān)系。FANG等[7]對淹沒式水射流進(jìn)行了大渦模擬,揭示了不同工況條件下的流場結(jié)構(gòu)。蔡騰飛等[8]探討了噴嘴出口幾何尺寸與出口邊界層流動(dòng)特性的關(guān)系,并根據(jù)分析結(jié)果提出了參數(shù)優(yōu)化方案。李玉朵等[9]對某清洗裝置的高壓噴射流進(jìn)行了流場數(shù)值模擬,并對噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。
上述研究從多個(gè)方面揭示了高速噴射流的流動(dòng)規(guī)律。但是,噴射流的流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其與動(dòng)態(tài)沖擊載荷的相關(guān)性仍需要進(jìn)一步探索。為此,本研究在OpenFOAM開源CFD平臺(tái)搭建了面向兩相高速噴射流的數(shù)值求解器,針對某高壓水射流開展數(shù)值模擬研究,分析流場結(jié)構(gòu)隨工況壓差的變化趨勢,揭示動(dòng)態(tài)載荷與流場結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。
本研究的研究對象屬于霧化噴射,高壓噴嘴出口處為壓縮氣體。噴射流的液核與氣體的相互作用將產(chǎn)生散布四周的液滴,隨后發(fā)生一次霧化,液核在沖擊底部靶件后發(fā)生劇烈的破碎。這些現(xiàn)象都涉及到液滴間的交互性效應(yīng)。對此,將通過VOF算法在數(shù)值計(jì)算中模擬液核及液滴的表面張力,從而對噴射流的霧化過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。
結(jié)合相體積守恒定律,可以通過單相的輸運(yùn)方程描述兩相流動(dòng)系統(tǒng)的流相變化規(guī)律:
(1)
式中,αl—— 液相體積百分比
αv—— 汽相體積百分比
ρl—— 液相密度
ρv—— 汽相密度
U—— 混相速度
Ur—— 流相間的滑移速率
Ur由如下方程獲得:
(2)
式中,cAlpha為界面壓縮系數(shù)。
混相流體的動(dòng)量方程為:
(3)
式中,κ—— 界面曲率
σ—— 表面張力系數(shù)
τ—— 偏應(yīng)力張量
p—— 壓力
對動(dòng)量方程進(jìn)行半離散,結(jié)合速度散度方程,實(shí)現(xiàn)速度-壓力解耦,獲得如下壓力方程:
(4)
式中,H(U) —— OpenFOAM的H算子
ap—— 動(dòng)量方程系數(shù)矩陣
上述數(shù)學(xué)模型的詳細(xì)推導(dǎo)過程,可參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]。
以方孔霧化水射流為算例,對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。方孔的幾何尺寸如圖1a所示,網(wǎng)格模型如圖1b所示,包含約690萬網(wǎng)格單元。文獻(xiàn)[12]使用多普勒測速儀(LDV)測量了3個(gè)位置的截面時(shí)均速度,同時(shí)拍攝了出口處的液相輪廓。圖2為數(shù)值模擬預(yù)測的截面速度分布與實(shí)驗(yàn)測量的對比,模擬結(jié)果預(yù)測了方孔左壁面處的回流現(xiàn)象,而且數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的平均偏差約為6%。圖3為數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測的瞬時(shí)液核霧化輪廓,在噴嘴出口約5 mm處液核輪廓突然擴(kuò)大,與實(shí)驗(yàn)拍攝結(jié)果較為吻合。方孔算例表明,該數(shù)值方法能夠較好地預(yù)測小孔霧化噴射流動(dòng)。
圖1 方孔模型
圖2 方孔不同截面處的流向速度分布及與實(shí)驗(yàn)測量的對比
使用OpenFOAM較為常用的PIMPLE算法進(jìn)行時(shí)間步推進(jìn),相輸運(yùn)方程使用有界性較好的MULES顯性算法求解,時(shí)間步離散使用二階精度的backWard策略,對流項(xiàng)使用系數(shù)為0.5的Gamma離散策略。入口使用全壓力邊界條件,入口壓力對應(yīng)3個(gè)工況分別為11,31,51 MPa,出口使用非反射邊界條件,出口壓力均為1 MPa,因此3個(gè)工況的壓差分別為10,30,50 MPa。其余邊界設(shè)置為無滑移壁面。流場的幾何尺寸如圖4a所示,噴嘴的直徑為0.3 mm,長度為4 mm,靶距為4 mm。圖4b也展示了相應(yīng)的網(wǎng)格模型,包含約400萬網(wǎng)格單元。
圖3 方孔噴嘴出口處的霧化輪廓
圖4 水射流模型
圖5為各工況的數(shù)值模擬結(jié)果,上半部分為αl=0.5°的液核形態(tài),下半部分為截面速度分布云圖,可以看出,隨著壓差的提升,液核的表面逐漸變得粗糙,瞬時(shí)速度分布呈現(xiàn)愈加強(qiáng)烈的不均勻性。圖6為不同工況的瞬時(shí)截面液相分布圖,其中上半部分為黑色方框的局部放大圖。由于噴嘴屬于細(xì)長孔(直徑與長度之比較小),各工況均可清晰地觀察到水力柱塞流現(xiàn)象。圖7所示的灰色曲面表示始終被液相占據(jù)的區(qū)域。圖8為根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13]的方法推算出的噴霧錐角隨壓差的變化趨勢。壓差為10 MPa時(shí),錐角接近0°,說明基本沒有發(fā)生霧化現(xiàn)象,主要原因在于局部雷諾數(shù)較
圖5 各工況的整體瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)
圖6 各工況的整體瞬時(shí)截面液相分布云圖
小,使液核表面并未產(chǎn)生大尺寸的漩渦,從而使液核表面呈現(xiàn)光滑平順的形態(tài)。當(dāng)壓差為30 MPa時(shí),噴霧錐角有大幅度的提升,說明此時(shí)已經(jīng)開始發(fā)生霧化現(xiàn)象。如圖9所示,上半部分為噴嘴出口外的截面液相云圖,下半部分為αl=0.5°的瞬時(shí)液核形態(tài),噴射流通過噴嘴出口之后,大量的小液滴從液核剝落,分布在液核的周圍。隨后,在約1.5 mm的下游區(qū)域開始誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象,盡管液核并未被完全穿透,但液核已產(chǎn)生大尺寸的凹坑,并且這些凹坑具有高度的不規(guī)則分布特征。對于工況三,一次霧化起始位置位于噴嘴出口下游1.3 mm處。結(jié)合圖8可以推測,隨著壓差的提升,一次霧化的誘發(fā)位置越接近噴嘴,從而使噴霧錐角逐漸增大。圖10為霧化腔的壓力分布云圖及Q等值面圖。Q準(zhǔn)則反映了流場中一個(gè)流體微團(tuán)旋轉(zhuǎn)和變形之間的一種平衡,因此Q等值面可以捕捉流場中的三維漩渦結(jié)構(gòu)。與工況一相比,其余工況都存在2個(gè)突出的特點(diǎn):第一,噴嘴出口處的擬序漩渦迅速瓦解并在下游誘發(fā)大量的流向渦;第二,存在明顯的壓力波現(xiàn)象,說明此時(shí)的噴射流屬于跨音速流動(dòng)。這些極端的流場結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究對象的一次霧化的誘發(fā)因素。
圖7 各工況的純液相區(qū)域分布圖
圖8 霧化錐角隨壓差的變化趨勢
圖9 噴嘴出口外的瞬時(shí)流場結(jié)構(gòu)
圖11為工況一的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時(shí)壓力分布云圖。液核保留較完整的圓柱狀輪廓,沖擊靶件后以較為平穩(wěn)的狀態(tài)緊貼靶件表面向四周流動(dòng)。同時(shí),不同時(shí)刻的靶件表面的壓力分布變化幅度較小,射流對靶件的總打擊力基本保持不變,如圖14所示。圖12為工況二的靶件上方的液核形態(tài)及靶件的瞬時(shí)壓力分布云圖。劇烈的一次霧化效應(yīng)使液核形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則性,在沖擊靶件后誘發(fā)猛烈的破碎,并在隨后的時(shí)刻這些破碎的液滴沖擊靶件并向四周反射,在靶件表面形成濺射狀的霧化現(xiàn)象,造成靶件表面的不均勻壓力分布,并且不同時(shí)刻的壓力分布存在明顯差異,在圖12(ii)和圖13(ii)有較強(qiáng)的瞬時(shí)壓力峰值,分別高達(dá)32.5,54.5 MPa,壓力峰值的出現(xiàn)與一次霧化造成的沖擊液核的不均勻性有較大的關(guān)系。圖14為靶件總打擊力的時(shí)間變化曲線,打擊力的波動(dòng)具有明顯的隨機(jī)特征,其波動(dòng)幅度較為顯著并隨著壓差逐漸增長,工況一到工況三的總打擊力的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.028,0.136,0.517。結(jié)合流場結(jié)構(gòu)(圖11~圖13)可以推測,打擊力的隨機(jī)波動(dòng)與一次霧化直接相關(guān)。一次霧化的作用導(dǎo)致液核的不均勻分布,并且壓差越大一次霧化現(xiàn)象愈加強(qiáng)烈,從而導(dǎo)致打擊力的波動(dòng)越大。
圖10 噴射流的壓力分布云圖及Q=1×1012等值面
圖11 工況一的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖
圖12 工況二的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖
圖13 工況三的瞬時(shí)截面液相云圖及靶件表面的壓力分布云圖
圖14 各工況的總打擊力時(shí)間變化曲線
通過對不同壓差工況的高速射流開展數(shù)值模擬,揭示了重要的流場結(jié)構(gòu),并獲得了以下重要結(jié)論:
(1) 當(dāng)壓差為10 MPa時(shí),高速射流與氣體的相互作用未對液核產(chǎn)生明顯的影響,射流對靶件的沖擊作用較為平穩(wěn);
(2) 當(dāng)壓差為30 MPa時(shí),高速射流與氣體的相互作用誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象;當(dāng)壓差升至50 MPa時(shí),噴霧錐角從1.3°增長到1.6°,一次霧化現(xiàn)象進(jìn)一步增強(qiáng)。本研究分析算例的高壓射流霧化現(xiàn)象在噴射腔具有2個(gè)典型的流場特征結(jié)構(gòu),分別是大量的流向渦以及壓力波。在兩者的共同作用下,不斷有液滴從液核表面脫落,并逐漸誘發(fā)一次霧化現(xiàn)象;
(3) 一次霧化效應(yīng)使液核呈現(xiàn)不規(guī)則的特征,并在靶件表面產(chǎn)生猛烈的破碎,產(chǎn)生局部壓力峰值,該壓力峰值具有較大的隨機(jī)性特征,從而強(qiáng)化了液核對靶件的沖擊作用,同時(shí)打擊力隨著一次霧化效應(yīng)呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)。當(dāng)壓差從30 MPa提升到50 MPa時(shí),局部壓力峰值分別是32.5,54.5 MPa,總打擊力波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差從0.136增加到0.517。結(jié)果表明,一次霧化效應(yīng)對高壓清洗效果具有促進(jìn)作用。