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摘要：利用ＦＬＵＥＮＴ軟件對角形噴嘴在淹沒環境下的流場進行數值模擬，以含氣率和氣相體積作為判斷噴嘴產生空化效果的依據，通過分析入口壓力、擴張角大小、喉管直徑設計了最優角形噴嘴結構，并在角形噴嘴基礎上設計了一種人工淹沒空化噴嘴。研究表明，高壓水射流在人工營造的淹沒環境下，射流邊界產生顯著的空化效應，并能維持到大氣環境中。
關鍵詞：人工淹沒空化噴嘴；數值模擬；含氣率；氣相體積；空化射流
０引言
空化射流通過誘發含有空氣（水蒸汽或混合氣泡）的空泡產生，通過適度控制噴嘴出口截面到靶材料表面間距，使空泡發展長大，又隨著射流沖擊靶材料而潰滅，空泡潰滅的瞬間產生的局部高溫高壓以及沖擊波，對材料表面進行破壞，以達到清洗效果?？栈淞魈N含著巨大的能量，但受空化效應產生的條件限制，目前空化水射流大多應用在淹沒環境中，極大地限制了空化水射流的發展。針對上述問題，本文通過在噴嘴出口處營造淹沒環境，構成人工淹沒空化噴嘴，通過高低壓水的剪切作用，產生空化水射流。
１空化流場的特性分析
影響射流空化初生的主要因素是射流的壓強和流速?？栈慕浀淅碚搶⒁后w的飽和蒸汽壓強視為液體發生空化的臨界壓強。定義空化數δ０為：δ０＝２（ｐ０－ｐｖ）ｐ０ｖ０．其中：ｐ０為空化初生時環境壓力；ｐｖ為飽和蒸汽壓；ｖ０為空化初生時射流速度。當δ０≤１時，可以判定發生空化效應。但在實際應用中發現，使用空化數判定是否發生空化的適用條件很局限，僅當液流收縮段橫截面積與液流下流截面積之比為１:２，且計算出的δ０≤０．５時才適用。所以在實際應用中并不能將空化數作為產生空化的依據，而是以液體壓強是否低于其飽和蒸汽壓來判斷是否發生空化效應［１］。當液體壓強低于相應環境下的飽和蒸汽壓強時，液體中的微氣泡開始爆發性生長，形成直徑在２０μｍ以下的氣核。當環境壓強高于相應環境下的飽和蒸汽壓時，空化泡由蒸汽變為液體而潰滅，在空化泡潰滅的瞬間會在液體內產生“內爆“形成空洞，在空洞附近的液體微團會向空洞中心形成沖擊現象［２］，利用此能量能極大地提高射流沖擊性能。
２物理模型和邊界條件
本文采用流體力學軟件ＦＬＵＥＮＴ進行仿真分析，建立空化效果較好的角形空化噴嘴物理模型進行模擬。以顯著影響角形噴嘴空化效果的入口壓力、擴張角、喉管直徑為研究變量［３］，采用物理混合空化模型、ＲＮＧк－ε湍流模型和標準壁面函數。物理模型的入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為標準大氣壓１０１３２５Ｐａ［４］。運用Ｍｅｓｈ軟件對建立的噴嘴和流場區域進行網格劃分，網格劃分采用ＭｕｌｔｉＺｏｎｅＱｕａｄ方法進行控制，網格單元大小為０．０１ｍｍ，并對噴嘴內部網格進行加密。生成的網格全部為四邊形結構化網格，網格數量約有１９萬個，檢查網格單元質量大于０．８，表明網格質量很好，可以進行數值模擬計算。
３角形噴嘴數值模擬結果與分析
３．１入口壓力對空化水射流的影響
擴張角為２０°，喉管直徑為１ｍｍ，收縮角為３０°，入口壓力分別為１０ＭＰａ和１００ＭＰａ時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖１和圖２所示。由圖１可以看出：當噴嘴入口壓力為１０ＭＰａ時，射流在噴嘴軸線上最大速度為２０１ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為９ｍｍ，由于在淹沒環境下，受液體阻礙射流速度衰減很快，射流的最大流動距離和擾動范圍約為１７ｍｍ。由圖２可以看出：當噴嘴入口壓力為１００ＭＰａ時，射流在噴嘴軸線上最大速度為３１３ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為１２ｍｍ，射流的最大流動距離和擾動范圍約為２０ｍｍ。通過對比可知，噴嘴入口壓力對流場中的流速和空化效應影響很大，可知在淹沒環境下，射流空化的產生主要受射流最大流動距離和擾動范圍影響，射流最大流動距離和擾動范圍越大，產生的低壓區越大，產生的空化氣泡體積越大。圖３為射流在流場中的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的變化情況。由圖３可以看出：射流的最大流速和含氣率隨著噴嘴入口壓力的增大而增大。因此，為了保證射流中空化氣泡的產生，可適當增加噴嘴的入口壓力。但噴嘴入口壓力的增加伴隨著泵壓的增大，可根據實際條件選取合適的入口壓力。
３．２擴張角對空化射流的影響
壓力為２０ＭＰａ，收縮角為３０°，喉管直徑為１ｍｍ，擴張角分別為１０°和６０°時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖４和圖５所示。由圖４可以看出：當擴張角為１０°時，射流在噴嘴軸線上最大速度為１９８ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為７ｍｍ，射流在流場中的的最大流動距離和擾動范圍約為１８ｍｍ。由圖５可以看出：當擴張角為６０°時，射流在噴嘴軸線上最大速度為２０１ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為１０ｍｍ，射流的最大流動距離和擾動范圍約為１５ｍｍ。由圖４和圖５對比可知：擴張角的大小對最大流速的影響不顯著，但擴張角大小決定著射流在噴嘴出口處的壓力分布。噴嘴出口處的壓力分布直接影響著射流的擾動范圍，可以看出在噴嘴擴散角為６０°時產生的氣相體積要大于擴散角為１０°時產生的氣相體積，可知擴張角的大小對空化氣泡的產生影響效果顯著。圖６為射流在流場中的最大流速和含氣率隨擴張角的變化情況。由圖６可以看出：隨著擴張角的增大，射流在流場中的最大流速變化波動小，含氣率先增大后減少。擴張角的大小對角形噴嘴在軸線上的最大流速影響不明顯，最大流速波動范圍在９ｍ／ｓ之內，擴張角的改變主要通過影響射流在流場中的擾動范圍影響含氣率的大小。擴張角為６０°時，含氣率最高，空化效果最好。
３．３喉管直徑對空化射流的影響
角形噴嘴入口壓力為２０ＭＰａ，擴張角為６０°，收縮角為３０°，喉管直徑分別為１ｍｍ和３ｍｍ時的流場速度云圖和含氣率分布云圖如圖７和圖８所示。由圖７可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為２０２ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為１０ｍｍ，最大流動距離和擾動范圍約為１５ｍｍ。由圖８可以看出：射流在噴嘴軸線上的最大流速為２０１ｍｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離約為１１ｍｍ，最大流動距離和擾動范圍大于２０ｍｍ。通過對比可以看出，喉管直徑對噴嘴在軸線上的最大流速影響不顯著，但對空泡的產生有一定影響。可以看出當喉管直徑增大時，對含氣率分布的最大距離影響很小，但對空化產生的形態影響比較顯著。當喉管增大至３ｍｍ時，射流中心部分不會再產生空化效果，可知喉管直徑顯著影響射流的空化效果。圖９為在噴嘴入口壓力為２０ＭＰａ、擴張角為６０°時流場速度和含氣率隨著喉管直徑的變化情況。由圖９可以看出：流場中的含氣率隨著喉管直徑的增加先增加后減少，當喉管直徑為２ｍｍ時，流場中的含氣率最高。這是由于在入口壓力２０ＭＰａ下，喉管由２ｍｍ增大時，擴散段壁面的影響限制了空化氣泡的產生。所以進行角形噴嘴設計時，可以優先考慮把喉管直徑設計成２ｍｍ。
４人工淹沒空化噴嘴仿真分析
通過對角形噴嘴的入口壓力、擴張角、喉管直徑數值模擬可知，入口壓力越大流場中的含氣率越高，擴張角?。叮啊銜r流場中的含氣率最高，喉管直徑?。玻恚頃r流場中的含氣率最高。所以在角形噴嘴結構設計時，優先把擴張角設計成６０°，喉管直徑設計成２ｍｍ，入口壓力在條件允許的前提下越大越好。通過上述角形噴嘴含氣率分布云圖可知，射流發生空化的階段主要發生在出口處，所以在出口處營造淹沒環境即可促進空化氣泡的產生，形成空化射流。為此本文在上述角形噴嘴的基礎上設計了一種人工淹沒空化噴嘴，噴嘴剖面尺寸如圖１０所示，入口１為壓力入口，入口２為速度入口，收縮角為３０°，擴散角為６０°，喉管直徑為２ｍｍ。圖１１為人工淹沒空化噴嘴的流場速度和含氣率分布云圖。其邊界條件為：入口１壓力為２０ＭＰａ，入口２速度為２ｍ／ｓ，外部流場為空氣。圖１２為相同尺寸的角形噴嘴的流場速度云圖和含氣率分布云圖，其邊界條件為：入口壓力為２０ＭＰａ，外部流場為液態水。由圖１１可知：人工淹沒空化噴嘴在軸線上的最大流速為２７９ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離為５ｍｍ，由于人工淹沒噴嘴外部流場為大氣環境，速度衰減很慢，在出口４０ｍｍ處仍能保持流速達１７０ｍ／ｓ左右。由圖１２可知：角形噴嘴在軸線上的最大流速為２０３ｍ／ｓ，空化氣泡分布的最大距離為５ｍｍ，而角形噴嘴在淹沒環境下最大擾動范圍只能保持在３０ｍｍ左右。從圖１１和圖１２的含氣率分布云圖對比可知，人工淹沒空化噴嘴也能有效產生空化氣泡，并維持到大氣環境中。
５結論
（１）通過流體力學軟件ＦＬＵＥＮＴ能較好地模擬空。化噴嘴的內部流場和外部流場的流速和空化氣泡的產生及分布情況。通過數值模擬可知，在淹沒環境下角形噴嘴空化氣泡的產生部位主要在噴嘴擴散段及離出口１０ｍｍ范圍內，人工淹沒空化噴嘴空化氣泡的產生主要在出口處營造的淹沒環境段，并能維持到大氣環境中。（２）影響角形噴嘴產生空化射流的關鍵因素為入口壓力、擴張角、喉管直徑。在保持其他條件相同的情況下，噴嘴的入口壓力越大、擴張角為６０°、喉管直徑為２ｍｍ時，空化效果更好。（３）人工淹沒空化噴嘴在大氣環境中使用能和角形噴嘴在淹沒環境下產生相同的空化效果，且人工淹沒噴嘴產生的射流速度衰減緩慢。
作者:杜鵬 呂順順 單位:安徽理工大學 機械工程學院
