高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析

高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析1=3摘要：高压水射流清洗是高压水射流应用的一个重要方面，与传统的机械式、化学式清洗相比， 具有广泛的通用性和相对环境无害性等独特优点。由于高压水射流清洗具有显著的优势，在 世界范围内对环境保护日益重视的形势下，得到了各行业的高度重视，在各个领域都有快速 的发展和广泛的应用。喷嘴是高压水射流成套设备的核心，是形成水射流工况的直接元件，它所造成的结果直 接影响到系统的各个部分.实际上，研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷嘴，将极 大地提高射流效率.其中，由于扇形喷嘴能产生平坦均匀的扁平射流越来越广泛的应用于工 业及日常清洗作业当中。为了研究喷嘴几何参数对射流流场性能的影响，文章首先采用计算流体力学的原理，依 照计算前处理的次序介绍了数值模型的建立、网格划分、边界条件和初始条件的设定、计算 控制参数设定等.并采用FLUENT软件中的层流单相模型和湍流混合模型对射流流场的速度、 压力、介质等物理量进行了射流内外流场的数值模拟研究。在边界条件和初始条件相同的情 况下，分别改变扇形喷嘴的入口形状、内流道长径比、出口角度，用FLUENT软件对喷嘴射 流的内外部流场性进行了模拟和分析，从而得出最佳的喷嘴结构参数。最后，文章总结了在喷嘴射流研究中取得的成果和不足，对今后研究工作提出展望。文 章得出的一些结论为以后的研究和优化高压水射流清洗喷嘴的设计提供了参考依据。关键词:高压水射流;几何参数:扇形喷嘴:数值模拟1.1高压水射流清洗概述高压水射流清洗技术是从20世纪70年代发展起来的一项新的清洗技术。由于高压水射 流清洗具有显著的优势，在世界范围内对环境保护日益重视的形势下，得到了各行业的高度 重视，在各个领域都有快速的发展和广泛的应用。高压水射流清洗技术呈现出了良好的发展 态势。水射流是由喷嘴流出形成高速水流束，射流的流速取决于喷嘴出口界面前后的压力降。 水射流是能量转变与应用的最简单的一种形式。通常，动力驱动泵通过对水完成一个吸、排 过程，将一定量的水泵流送到高压管路，使其以一定能量到达喷嘴.而喷嘴的孔径要求比高 压管路直径小得多，因此到达喷嘴的这一一定量的水要想流出喷嘴孔，必须加速。这样，经 过喷嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。射流一且离开喷嘴，它的凝聚段不会太长。对此，射 流的速度尤为重要。水经过泵送获得了压力，压力首先驱动水自泵至喷嘴，又使其以给定的 速度通过喷嘴.在此期间，水流与管壁的摩擦形成了主要的压力损失，同时水流也因经过不 同形状的流道产生压力损失。当射流到达靶件时，射流以其速度形成的能里转变成冲击压力 作用在工作的表面上。射流离开喷嘴后最常见的形式是圆柱射流。这种形式的射流携带射流 能量最为有效，但它在靶件表面上的有效打击面积也最小.为了进行大面积清洗，通过改变 喷嘴形状就有了扇形射流，其特点是射流以一条线的形式冲击在靶件上，随着喷嘴的位移， 便出现了一条宽幅的清洗面。近年来还出现了一些不同形状的喷嘴，如圆锥形、三角形、矩 形等，统称为异形喷嘴。高压水射流技术过去主要应用于开采煤矿等领域。近十几年来，水射流技术得到了长 足发展不断开发出新产品。技术水平也不断提高，随着大型化、智能化、专用化装备的发展， 高压水射流技术己经渗透到各个应用领域:如工业清洗、除锈除层、水力切割、工程破碎、 喷射注浆、钻孔开采等111其中高压清洗作业一直是工业及民用领域不可缺少的一个重要行业。一般的清洗方法可 分为物理清洗和化学清洗两大类。利用力学、热学、声学、光学、电学原理，偈外来能量 的作用，如机械摩擦、超声波、高压、冲击、紫外线、蒸汽等除去物体表面污垢的方法称为 物理清洗:依靠化学反应的作用，利用化学药品或其他溶剂清除物体表面污垢的方法称为化 学清洗。物理清洗和化学清洗都有各自的特点，实际应用时应根据被清洗物体的情况和清洗 要求进行选择和使用。随着社会的进步和工业对于设备运转效率及环境保护的要求，化学清洗方一法的使 用受到了很大的限制，在工程上主要表现为：(1) 当结垢物很厚或管道堵死时，不能应用化学方法清洗.(2) 对于具有多成分的复杂的机械混合物或结垢物，化学药剂的选择十一分困难， 故难以用化学方法清洗。(3) 化学药剂对清洗对象有一定的腐蚀作用，一些重要设备不能用化学方法清洗。(4) 化学清洗作业中的酸碱排放物对环境污染严重。(5) 化学清洗需要大量的酸与缓释剂，特别是对于大口径管道与大型容器需要化 学药剂的数量巨大，清洗成本高.(6 )需要长时间浸泡及循环，清洗效率和清净率低。(7)对清洗对象的形状、材质等选择性强。如轮船下部船体、甲板、钻井平台、 市政工程大型管道及飞机跑道等，无法使用化学药剂浸泡及循环，很难清洗。高压水射流清洗属于物理清洗。与化学清洗相比，高压水射流清洗技术具有如下优 点:(1) 清洗质量好，通常情况下，选择合适的压力等级，高压水射流清洗.不会损伤 被清洗基体。(2) 清洗速度快。由于水射流的冲刷、楔劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可迅 速将结垢物打碎脱落，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械一及手工方法清洗速度 快几倍到几十倍。(3) 无环境污染。(4) 适用范田广.高压水射流清洗能清洗形状和结构复杂的零部件.能在空间狭窄 复杂和操作环境较差的条件下进行清洗，对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求， 只要求能够直射，故其应用十分广泛。(5) 易于机械化、自动化。(6) 节能、省水、清洗成本低.高压水射流使用的介质是自来水，它来源容易，普 遍存在。在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂，即可清洗干净，故清 洗成本低，大约只有化学清洗的1/3左右。其次.水射流清洗方法与消防用水不同，属细射 流喷射，所用的喷嘴直径只有0.5-2.5mm，故耗水量只有3-5m/h所用动力的功率为37-90kW， 故属节水节能设备。(7) 在设备维修中能较好恢复设备性能、延长设备寿命。由于高压水射流清洗具有以上诸多优点，一经问世，便得到了快速的发展和广泛使 用，在各种物理清洗方法的实际应用中占很高比例。在工业发达国家高压水射流清洗已经成 为主流清洗技术，在清洗业市场占到了较高的份额。目前，在一些发达国家已达到市场份额的80%以上，如美国石油化工企业的换热设备清洗，采用化学清洗的只占5%,而采用高压 水射流清洗的则占80%以上1.2高压水射流清洗装置的组成高压水射流清洗装置称为高压水射流清洗机，主要由高压水装置、动力设备、喷嘴、 高压软管及工作附件组成，如图1.1所示.(1) 高压水装黄高压水装置是高压水射流装置中最重要的部件，主要有离心泵、柱 塞泵和增压器等。(2) 动力部分动力源通常为柴油机或电动机.为方便现场施工，一般车载的高压水射 流清洗装置的动力源为柴油机，它尤其适合在不具备大功率电源的工厂或车间使用。一些小 型高压水射流清洗装置常用电动机作为动力源.(3) 高压软管高压水泵和喷嘴之间通过高压管路连接，高压管路由内管、增强层和 外皮三部分组成。内管输送水，增强层提高内管的强度以耐受高压，外皮起保护作用，以防 止腐蚀和机械损伤。高压软管的增强层用钢丝编织，一般有两三层。(4) 喷嘴及工作附件高压水经高压软管到达喷嘴及工作.喷嘴的作用是将高压低流速 水转化为高流速的射流。喷嘴及附件是影响清洗效果的重要因素。喷嘴一般由特质材料制成， 有画柱形和扁平行两种。圆柱形喷嘴射程远，单作用面积小:扁平行喷嘴的射程短，但作用 面积大。同一型号的喷嘴有不同的口径，一般为1.5-2.1 mm，口径小的喷嘴适用于高压力低 流最的清洗，反之则选用大口径的喷嘴。V77压力源2-喷嘴及传幼机构3-ioX工件围L 1高压水射流装置图1.3水射流的分类高压水射流应用于清洗操作时，工作压力等级按国际上普遍采用的等级划分，通常 为:0.5-20MPa 为低压:20-70MP:为中压:70-14OMPa 为中高压:140-400MPa 为高压;400M Pa 以 上为超高压。根据发生方法、环境介质、形态等条件不同，水射流可分为多种。一般在清洗操作中使 用的射流主要为以下几种：连续射流。从射流的形态来看，射流可分为连续射流和非连续射流.连续射流除在开 始时存在一个冲击峰值外，基本保持着对被作用体稳定的压力.连续射流又可根据其周田介 质分为淹没射流和非淹没射流。实际清洗工程中，高压水射流清洗以使用非淹没连续射流居 多。(2 )冲击射流。这种射流的特点是产生一个只持续时间极短的压力峰值，高速水滴和脉 冲射流即属于此类。脉冲射流是一种射流参数随时间变化，对物体的作用也随时间周期性变 化的不稳定射流。(3) 混合射流。其特点是冲击压力和稳定压力相结合，施加载荷的过程为:一个冲击压力 加上一段稳定压力.稳定压力的持续时间与水滴的速度和大小有关。1.4高压水射流清洗机理及影响因素1.4.1以渗透为主的破碎过程对于水可渗透，即水能渗入垢层之间的孔隙，并对垢层颗粒施加压力的各类垢层，当此 压力大于颗粒之间的引力时，产生裂纹且裂纹一步一步地扩散，后面的射流又直接起压缩、 剪切和水楔作用，从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部剥落.在这个过程中起决定作用的是水 的渗透引起的作用于垢层颗粒上的水压力。当射流速度达到某一临界值时，将在物料中形成应力波，加速物料破碎，对于垢层这种 特殊的物料来说，这个临界速度很难得到，这主要是由于成垢条件对垢层的成分、结构影响 所致。寻找这个临界速度对于小射流清洗也不经济在实际清洗过程中，在满足压力的条件下，垢层的破碎己经十分迅速，基本上不受射流 速度的影响图U射流横暮清洗操作示意图B上.3居垢层受力情况在清洗中，为提高清洗效率，存在一个最佳横移速度的问题，即射流横扫污垢的速 度，如图1.2所示。横移速度大，清洗速度快，效率就高，但有可能造成局部清洗不初底和 漏洗现象。要充分发挥射流的水楔作用，使垢层剥离，一般应采用较低的横移速度。对实际 操作的横扫速度而言，确定具体的参考值意义不大。这主要应是根据污垢层厚度、污垢性质 及清洗质量要求，由操作者依据经验设定和控制。1.4.2直接压缩和剪切为主的过程对于软a的渗透性的物料垢，主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应力.当 该应力按照一定的规律超过垢层的强度极限时，垢层将产生裂纹、裂缝，在后续水射流的水 楔等作用下扩张成坑，最后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。按照弹性力学理论，水射流对污垢压缩和剪切引起的应力状态为三维空间应力状态。 图1.3为任一水滴对污垢作用的受力示意图。对此受力情况下的应力可按三向应力状态分析， 根据强度理论求解水射流的压力，求解时，极限应力可取垢层的强度极限.由于垢层成分、 结构的复杂，没有详细的性能应力。应变等参数，目前只能作为一种定性分析的方法，由试 验确定水射流对垢层冲蚀的压力情况。对于非渗透软垢层，在15MPa左右的高压水射流作用下，垢层通常可迅速被除去， 其效果一般优于化学清洗。在实际清洗操作过程中，对于沥青、润滑油等垢层的清洗，主要 是利用射流的剪切力作用，故应采用大冲击角的清洗操作方式，以充分发挥剪切作用除去垢 层.1.5高压水射流清洗技术的应用高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色技术.水射流以其通用性和对环 境无害性备受清洗行业的青睐，应用日益广泛由于水射流清一洗不影响环境、效率高，且 能最大限度地满足各类用户的特殊要求，因此其应用在国家经济建设和人们日常生活中几乎 无处不见。下面将详细叙述水射流技术的应用：1清洗高压水射流清洗技术由于没有二次污染、劳动强度小、易于实现自动化，因此高压 水射流技术可广泛应用于现代化大型清洗中。不同的清洗对象和被清除物料有相应的配套技 术与之相适应，因而形成了与各类对象相匹配的清洗技术。2除锈高压水射流除锈技术由于没有灰尘、对操作人员危害小，因此广泛应用于大多数石 化企业静设备。如安徽理工大学张东速教授等人研究开发了一种用于清除精锻齿轮氧化皮的 新型设备。经过试验证明该设备除鳞效率高、效果好，并可用于清除其他零件的氧化皮。2002 年又研究开发了钢管内壁除锈装置，完全适合对各种管件的除锈工作。合肥通用机械研究所 的薛胜雄等人为了解决大表面积钢质除锈漆问题，设计研制出灵活可靠的磨料水射流系列防 爆湿式爬壁除锈机器人河北石家庄军械工程学院弹药工程系的高岩等将磨料水射流技术应用于 弹药除锈解决了防潮和安全问题，提高了弹药除锈效率和效果3水力切割由于水射流切割技术嗓音小、无尘、无火花等优点特别适合切割各热敏、压敏、脆 性、塑性和复合型材料，结合数控软件等技术国内外开发出高度自动化的水射流切割设备。 国内的应用也日益普及。磨料水射流将成为本世纪的主流切割技术.目前，高压水射流切割 技术主要应用于以下领域:汽车制造与修理业:如切割各种非金属材料及复合材料构件、林业、 农业及市政工程;如用于伐木、剥树皮、饲料加工、路面维护、工艺品的切割下料等4石油工业中的应用石油石化行业是高压水射流技术应用比较广泛的行业。石油大学研制的自振空化射 流喷嘴钻头。钻头的井底流场能够使射流在油井下辅助破岩作用，许多油田的实验证明，比 机械钻头速度提高了 35%，济效益也明显提高。辅助机械破岩机理研究也是近年来国际上热 门的前沿课题。可极大地提高钻井速度，提高开采效益。空化射流是磨料浆体旋转射流钻径 向水平井和高压水射流、流深穿透射孔新技术等对于开采低渗油气藏薄油层和裂缝性油气藏 技术研究有很大的帮助。目前高压水射流清洗技术应用的具体对象包括如下几个方面。(1) 管道类，即上下水、排污、输油、煤气、排烟管道(2) 各类热交换器、冷却塔、冷凝器.(3) 盛装气、水、油、溶液、浆体等流体介质的各种箱、柜、釜、罐、槽、舱等 工业容器.(4) 压力容器，包括储气缸、高压釜、合成塔等。(5) 公路、铁路运输用的槽罐车，水运船舶的油料仓等。(6) 船舶，在船舶维修工作中，采用高压水射流可剥除船体、船舱和螺旋桨上的 生长物:可清除船体水面线上下的油污.剥除压载箱、底板及船舱上的附着物及除锈等。(7) 钢材、铸件表面的除鳞、除锈、清砂。(8) 各种大型工业设备表面，如轧钢机表面除油去污等。(9) 各种大型建筑物、写字楼表面。(10) 混凝土构筑物，包括路面翻送(深度6-25mm )，路面污迹清除，机场跑道除 胶以及混凝土冲毛等.适用于高压水射流清洗的结垢物的类型包括各种机械堵塞物、各类盐碱结垢物、氧 化铁、金属锈蚀物、油脂及油污凝结物、油漆、焦炭、石蜡、沥青、石灰、石子、沉渣、淤 泥、船体上的附着物及海洋生物等。表1.2为高压水射流清洗应用压力等级实例高压水射流清洗除了在上述领域范围的使用外，还在一些特殊领域也有使用。(1)滴除导弹及火箭固体推进剂.由于推进剂有较高的冲击和摩擦感度，易堪易爆， 很难用机械切削方式清除;而采用人工手持刀清理，不但难度大、效率低、效果差，而且极 为危险.由于不能将推进剂清除，不得己只能将其销毁，销毁后的后果是严重污染环境，并 造成极大的经济损失。根据水射流独有的特点，将水射流清洗技术应用到消除导弹及火箭的 固体推进剂装药，取得了成功，并获得极好的经济效益和社会效益。1999年兵器部某厂采 用水射流清药机安全清理火箭弹药1000余发水射流技术非常适合核电站及核化条件的清洗.对核电站的清洗，是保证核电站 安全正常运行必不可少的重要工作。水射流清洗核电站技术优于化学、机械等清洗方法，是 目前最理想的清洗方法。这项技术已在核电站清洗等方面取得了应用.在野战条件下，或军 事演习后对遭受核生化污染的人员、武器、技术装备也可采用高压水射流清洗。(3) 空化射流技术对钢材抗疲劳强度的提高.传统的提高钢材抗疲劳强度是采用喷丸 方法，该方法污染环境、成本高、处理材料不均匀:而采用空化射流则可以降低成本，改善 工作环境，并且能达到理想的效果。(4) 高压水射流在抗洪中的应用.堤岸和河底的防渗保护是洪水控制工作中的关键。 而用普通方法构筑的堤岸易发生渗漏.这给抗洪工作带来很大隐患。高压喷浆通过高压水或 高压浆对堤岸表面进行喷涂，当浆体凝固时，堤岸表面就形成了一层坚固的防渗墙。有效解 决了防洪堤的渗漏问题.当然，作为一种清洗技术，高压水射流清洗技术也有一定的局限性，主要表现在对 被清洗物体结构有一定的要求、对软质垢层的清洗效果不如硬质垢层清洗效果好:在一些场 合单一使用高压水射流进行清洗难以达到很好的清洗效果，尚须与其他清洗方法配合使用； 清洗水耗及回收问题还需进一步完善.随着高压水射流清洗技术的不断发展，其中一些问题 目前正在逐步得到解决。可以相信在对高压水射流清洗技术研究不断深入的过程中，更高效、 更经济、更方便的新技术、新装备将源源不断地出现，并将在生活实际中得到广泛应用。1.6高压水射流清洗技术的研究现状及发展趋势高压水射流技术的发展大致可分为4个阶段:60年代处于以低压水射流采矿为主的 初期阶段，同时以静压试验和化工流程为主要目的的高压泵、增压器和高压管件的研制取得 了许多商品化成果，这为高压水射流技术的到来莫定了基础;70年代主要针对采煤机、清洗 剂开展了水射流工业试验，这时期的主攻方向是提高以水为介质的高压动设备的压力和可靠 性，同时开发多种形式的射流。80年代是商压水射流技术迅速发展阶段，突出体现在高压、 超高压、大型化、成套化、专用化和新型水射流形式都己产品化、规模化、商品化、尤其是 清洗、除锈、切割应用的可靠性、安全性、迅速拓展至各工业部门。上世纪90年代，一些 高难度研究，诸如机器人的水切割、水下切割、井喷关口切割、干冰切割等技术的问世，国 际会议的主题基本上围绕着水切割展开。近年来许多标新立异的成果表明:一个能根据实际 需要自如的控制各种类型高压水射流技术、造福人类的新时代已经到来，喷射技术已经成为 一门独立的综合性新学科1应用不断普及、深入，领域不断扩大在高压水射流技术的推广应用方面，随着对高压水射流技术人员和研究的不断深化 及具体应用示范作用的影响，琪应用范围越来越广，己成为了清洗行业一项优先选用的技术。从工程应用情况看，高压水射流清洗技术的迅速发展及应用的扩大，不仅因为它是 一项新技术，更重要的是由于它具有适用范围大、经济效益显著等优势。目前，在石油化工行业高压水射流清洗技术己得到较普遍的应用.此外，由于高压 水射流清洗具有某些独有的特点，在一些特殊领域也得到了有效应用，包括如下领域(1)核电站的清洗.随着国内反应堆退役工程的不断深入，更好的应用该技术，不断 提高工程去污质量，将成为高压水清洗去污技术的新课题。火箭固体推进剂的清除。由于推进剂具有较高的冲击和摩擦感度，易燃易爆， 很难用机械切削方式清除，人工方法不但难度大，效率低，且有极高的危险性.利用商压水 射流技术则可以使该课题的已彻底解决。(3) 核化条件的洗消。在对遭受核生化污染的人员、武器、技术装备的洗消可采用 水射流清洗的方法。(4) 海洋沙澳的清理。传统的拖拉链条方法仅适合于近海，在其他海域则可采用空 化射流技术进行清理。2新技术、新工艺不断出现近几十年来，我国高压水射流清洗技术的研究和应用取得了巨大的进展，研究不断 深入，应用日益广泛。在新型射流技术的研究方面，我国处于世界先进水平。在脉冲射流、 空化射流、自激振荡射流、自激振荡空化射流、前混合磨料射流等方面的研究均受到了国外 的广泛关注.但从目前我国高压水射流清洗技术的应用情况来看，我国高压水射流清洗技术与装 备整体上与国际水平还有一定差距，在某些方面还处于空白状态，特别是在产品系列化和商 品化上还很薄弱，有待提高。在积极引进消化、吸收的基础上，实现多学科、多部门的联合， 研制适合我国实际的技术与装备是达到国际先进水平的必由之路3装备水平不断提高随着高压水射流清洗技术现代化水平的提高，高压水射流清洗设备正向着大型化、 智能化、人体一机化发展。1.7本课题的研究内容及方法从以上关于高压水射流清洗技术可知，喷嘴是高压水射流清洗的关键所在。本论文 从常用的扇形喷嘴结构入手，通过改变喷嘴的出口直径、入口直径、喷嘴长度、喷嘴收缩角 等参数，研究其不同结构情况下对射流特性参数的影响。只用简单的一维理论研究对喷嘴及 其射流的真实流动进行描述，精确性受到很大限制。而用实验方法会受到模型尺寸、流场扰 动、测量精度的限制，有时很难通过实验方法得到结果oCFD克服了传统理论与实验方法的 弱点，通过计算喷嘴的喷射过程可以看到整个流场的各种细节，如流场的产生、强度，漩涡 的生成与传播，温度、压力分布及随时间的变化情况等。本文首先对喷嘴射流的各个物理量 进行了阐述，后用GAMBIT软件对水射流建立了几何模型、网格划分，垠后用FLUENT对其 流场进行了仿真计算，并据此定性地分析了喷嘴各结构参数的变化与射流结构的压力、速度、 能量损失、作用力等的关系，从而为设计出结构优良、高效率的水射流喷嘴提供理论依据。