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验
新
兜
清洗世界
Cleaning World
第36卷第12期2020年12月
文章编号：1671-8909 ( 2020 ) 12-0022-005
舒峰
(中建环能科技股份有限公司，四川成都610045)
摘要：针对多喷嘴冲洗系统，以冲洗管内流场为研究对象，建立了喷嘴射流速度的理论计算模型，并结合
C F
D 数值模拟方法，进一步分析了多喷嘴组合时的射流速度分布规律、射流速度与冲洗压力的关系以及结构参
数对射流速度的影响。结果表明：考虑湍流及粘滞效应的仿真射流速度低于理论计算结果约10.4% ；射流速度的 不均匀性与结构参数有关，当截面收缩系数在临界值范围内时，射流速度及冲洗压力分布无明显衰减，且射流速 度与冲洗压力的平方根近似呈正比关系；当截面收缩系数超出临界值时，各喷嘴射流速度及压力分布呈梯度衰减， 冲洗不均匀性明显增加。本研究对多喷嘴冲洗系统设计及优化具有一定指导意义。
关键词：多喷嘴冲洗；射流速度；截面收缩系数；数值模拟
中图分类号：TE 92 文献标识码：A
〇引言
孔板格栅是一种对栅渣定向粒径进行拦截与过滤的 污水预处理设备，因其良好的毛发纤维物拦截能力而得 到广泛应用。反冲洗系统作为孔板格栅的重要组成部分， 其功能是对循环运转的过滤孔板进行连续或间隙式反冲 洗，及时清洁过滤孔板，保持连续运转过程中的过滤孔 板不被堵塞。尤其是在过滤精度高、污水中悬浮物含量 高的情况下，有效的反冲洗显得尤为重要。目前普遍采 用多喷嘴低压水射流冲洗作为主要反冲洗方式，冲洗水 压力通常设置在0.2~丨.2 MPa 之间。
针对喷嘴射流过程的流动特性，不同应用领域均有 一定研究，目前多集中于高压水射流、单喷嘴射流等方 面，且研宄对象为流体从喷嘴孔口喷出后的流动特性， 对多喷嘴冲洗系统管内流场的研宄较少，尤其是在特定 工况下的射流速度分布规律研宄。射流速度是表征冲洗 强度的重要参数，同时多喷嘴冲洗时的射流不均匀性对 冲洗效果产生较大影响。本文以冲洗管入口到喷嘴出口 之间的内流场作为研究对象，结合CFD 数值模拟方法， 重点分析多喷嘴组合时的射流速度分布规律、射流速度 与冲洗压力的关系及结构参数对射流速度的影响，从而 为反冲洗系统的设计及优化提供一定理论依据。多喷嘴反冲洗系统典型结构简化如图1所示，主要 由压力表1、冲洗主管2、喷嘴3、截止阀4组成，所 有喷嘴采用相同型号并均匀分布，喷嘴轴线与冲洗主管 轴线垂直且分布在同…平面内。喷嘴典型结构如图2。
图2
喷嘴放大示意图
1冲洗射流理论分析
1.1喷嘴出口的射流速度
冲洗射流速度定义为喷嘴出口的质量流量平均速
作者简介：舒峰（1987-).男，硕士，工程师，主要从事环保装备设计及研究。 收稿日期：2020-10-29
。
第36卷舒峰.基于C F I)的多喷嘴冲洗射流速度计算及分析• 23 •
度。对于连续的冲洗射流过程，根据流体力学基本原理, 以单喷嘴作为研宄对象，取喷嘴进口和出口横断面应用
伯努利方程：防过敏皮带
Z.+悬+鸯:Z i+A pg(i)
式中，z P忑分别表示喷嘴进口和出口断面液位高 度，m;/V足分别表示喷嘴进口和出口断面静压力，P
a%,«2分别表示喷嘴进口和出口断面平均速度，m/s; g为重力加速度，m/s2；为流体密度，kg/m3。
由于喷嘴出口断面与外界大气连通，取喷嘴出口表压力P2=〇，并忽略喷嘴进出口断面之间的高度差，可得: Pi,U i2 =ul
P9 ~2g ~ 2g
(2)
根据流体质量守恒原理，在喷嘴进出口断面之间应 用连续性方程：
•A,-u2 ■A2(3)其中，J,，次分别表示喷嘴进出口断面的过流面积, m2 ；
将喷嘴等效为圆锥形结构，代入
，可得
其中，七分别表示喷嘴进出口等效直径，m。
将式（4)代入式（2)，可以得到：
2pi(5)
实际工程中，^y<i，可忽略此项。冲洗水密度p=998kg/m3，因此式（5)可简化为：
_(6) U2_ 2134
由此得到喷嘴射流速度为：
f p(7)
其中，v表示任一喷嘴的射流速度，m/s:p表示对 应喷嘴进口断面的压力，Pa。
该公式推理过程中进行了理想化的伯努利流体假设 条件，忽略了冲洗管内湍流及粘滞效应引起的能量损耗，其计算结果只是近似值，实际射流速度应小于理论计算 速度。
1.2冲洗入口速度及流量
冲洗水是不可压缩流体，根据质量守恒原理，冲洗 管入口流量等于各喷嘴出口流量之和，即：
导游扩音器
vo」〇=<=1 .(v，.為）（8)
其中，A表示冲洗管入口流速，m/S；為表示冲洗管入口过流面积，m2;/为喷嘴序号。
假设各喷嘴流量分配均匀，即各喷嘴射流速度相等，则v,.=v。代入 3。= D2，為=j f由式（8)可得：
冲洗管入口表压由压力表测定，通常是己知量。假设冲洗管内部压力分布均匀，则喷嘴进口断面的压力 P可按A>取值，根据式（7)可计算出喷嘴射流速度v，代入式（9)计算出冲洗管入口平均速度：
=n ■ Jpu ■ d2(i〇) V〇~22.3A D2
其中，D表示冲洗管入口内径，表示喷嘴出 口等效直径，m2;iP。表示冲洗管入口表压，P a;«为喷 嘴数量。系船柱
根据0=v〇d Q，可进_•步计算出冲洗流量Q,m3/s:
Q=0.035n/p〇■(f(11)
该计算推理过程中，进行了各喷嘴射流速度相等、冲洗管内部压力分布均匀的假设。实际上，该假设条件 与结构参数有关，具有一定适用范围，在后文中将进一 步讨论。
2冲洗射流速度仿真计算及分析
针对上述理论模型中内部能量损耗难以准确计算的 问题，采用FLUENT进行流场仿真，对理论计算模型 进行验证分析。
2.1建立仿真模型
多喷嘴冲洗系统如图1所示，实际工程中多采用扇 形喷嘴增大射流覆盖角度，本文定义射流速度为喷嘴出 口断面的平均速度，从冲洗管内流场整体的角度探讨多 喷嘴射流速度分布规律，因此，可将复杂的扇形喷嘴结 构等效为圆锥形喷嘴，便于计算收敛。
以某型号孔板格栅的反冲洗系统为例，主要结构 参数如下：冲洗管内径D=50 mm，喷嘴出口等效直径 d=2.8mm，喷嘴数量《=15，喷嘴安装间距plO O m m。根据上述参数建立流体域三维模型，采用六面体单元进 行网格划分，并对喷嘴及其过渡区域网格加密，如图3。
2.2数学模型及边界条件设置
孔板格栅反冲洗介质为水，冲洗管内壁及截止阀侧 的端面设置为固定壁面，壁面粗糙度按默认值设置；压 力表侧的端面设置为压力入口，表压p…=0.8 M Pa；各喷 嘴出口端面均设置为压力出口，表压为0。
流体在管道中存在层流和湍流两种流动状态，可 以通过惯性力与粘性力之比即雷诺数R e来判定
，小于
• 24 •清洗世界第12期
图3多喷嘴冲洗管内流场网格划分
临界雷诺数Re«为层流，大于临界雷诺数Re«为湍流。圆截面管的雷诺数可按式（12)计算：
其中，P为流体密度，kg/m3:v为流体流速，m/s; D为圆管直径，m:A为流体粘度，P a's。
将上述结构参数1么£>及入口压力P。代入式（10)，计算出冲洗入口理论流速v0=1.88m/s。取 流体粘度//=l〇_3P a s，按式（12)计算得，雷诺数Re=9.38X l〇4，大于临界值，可判断冲洗水入口流动过 程为湍流。同时，管壁多喷嘴分流形成局部速度急剧变 化，将进一步加剧湍流效果。该流动过程为完全发展的 湍流，因此计算过程采用标准K-epsilon湍流模型。
2.3计算结果分析
冲洗管上的喷嘴均布排列，其射流轴线均在.v=0平 面内。取该平剖面查看速度矢量图，并截取单喷嘴速度 云图，如图4所示，可看出沿冲洗管轴向，射流速度无 明显衰减，喷嘴出口速度远大于冲洗管内部流速。
I 2.8!e+OOI
2.34e+001
l.87e+001
1.40e+«0l
9.35c+001
4.68e+001
0.00e+00l
[msA-l]
图4冲洗管速度矢量图及单喷嘴速度云图
冲洗管及喷嘴压力分布如图5所示，可以看到流体 在进入喷嘴前，压力分布无明显梯度变化。喷嘴入口附 近到出口之间压力急剧减小，此时压势能转化为动能，形成冲洗水射流。在此工况下，前文假设喷嘴入口压力 与冲洗管入口压力一致是合理的。
通过后处理模块提取各喷嘴出口对应的质量流量平 均速度如图6所示。
通过式（13)定义速度波动系数，该系数表征各喷 嘴射流速度分布的波动幅度，由于各喷嘴规格型号一致，该系数也表征流量分配的不均匀性。
A=X 100%(13)
式中v…^表示各喷嘴中最大射流速度，v…,…表示各
5.5处*〇〇5
4ft0e*fl05
3 62c*005
2.63c*005
l.64c*<M)5
6.54c'004
-3.34c*004
-l.32e+005
图5冲洗管及单喷嘴压力云图
喷嘴序号
图6各喷嘴射流速度分布曲线
喷嘴中最小射流速度，表示各喷嘴射流速度的平均值。
计算各喷嘴射流速度的平均值为va=35.86 m/s，并 按式（13)计算速度波动系数得：A=1.62%，表明在该 工况下射流速度波动很小，各喷嘴流量分配较均匀。在 此工况下，前文假设各喷嘴射流速度相等是合理的。
按式（7)计算喷嘴理论射流速度为v=40.04 m/s,B P：仿真计算速度小于理论计算速度，计算误差为10.4%, 该误差是由于理论计算过程中进行了理想化伯努利流体 假设条件、忽略了冲洗管内湍流及粘滞效应引起的能量 损耗而产生的，与上述推理一致。
3冲洗压力与射流速度的关系
理论计算公式（7)表明，喷嘴射流速度与冲洗压 力的平方根成正比。即：
(14)
V2V P i
在结构参数不变的条件下，对冲洗管设置不同入口 压力，通过FLUENT进行仿真计算，讨论及验证冲洗 压力与射流速度的关系。
保持上述案例冲洗管结构参数不变，分别取不同 入口压力，尸。=0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa，按上述仿真方法计算不同压力下射流速度平均值。按式（7) 计算理论射流速度，并进一步计算仿真与理论速度计算 误差，详见表1。将仿真射流速度与理论射流速度曲线 对比如图7所示。
以p^O.2MPa时的仿真射流速度作为初值代入式 (14)，将仿真射流速度与理论关系曲线对比如图8所示，
发现二者吻合较好，由此推断仿真射流速度与冲洗压力
第36卷舒峰.基于CFD 的多喷嘴冲洗射流速度计算及分析
• 25 •
11 12 13 14
喷嘴序号
图9不同喷嘴直径时射流速度分布
Pressure [Pa]
/ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^
图10 d =10 mm 时冲洗管内压力分布
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
冲洗压力P/MPa
图8冲洗压力与射流速度的关系曲线
之间近似满足式（14)关系式。在实际工程中，可应用 该关系式进行不同压力下射流速度的近似计算。
受电弓检测仪4结构参数对射流速度的影响
式（7)表明，喷嘴射流速度仅与冲洗压力有关, 其假设条件是冲洗管内部压力分布均匀无衰减、各喷嘴 射流速度相等。实际上，该假设条件与结构参数有关, 即结构特征能否形成有效憋压。针对上述喷嘴射流速度 的分布规律进一步研究，分析结构参数对射流速度不均 匀性的影响，并探讨理论推导式（7)与（11)的适用范围。多喷嘴冲洗系统结构参数主要包括冲洗管入口直径 D 、喷嘴等效直径么喷嘴数量》及喷嘴安装间距心实
0.6 0.8
冲洗压力P/MPa
理论速度与仿真速度的对比曲线
际工程中，喷嘴数量〃及安装间距S 由冲洗射流覆盖区 域决定，为便于研宄，本文不再将其作为变量考虑。
引入截面收缩系数该参数表征多喷嘴出口与冲洗管入口过流面积的比值。取则有
d =n l ^。
以前文中典型的多喷嘴射流模型为例，取A =0.04, 0.08, 0.12, 0.16, 0.2，并分别以喷嘴直径d 和冲洗管 直径D 作为变量，分析在一定冲洗压力下不同<5值对 射流速度及内流场压力分布的影响。(1) 取p 丨)=0.8 MPa ，/7=15，D =50 mm ，以喷嘴直 径为变量，分别取d =2、4、6、8、10 mm 进行仿真 计算.讨论不同3时速度分布规律。
不同喷嘴直径d 对应的喷射流速度分布如图9。可 以看出，>2、4、6 mm 时射流速度波动较小，且射流 速度平均值较为接近。</=8、10 mm 时，射流速度不均 匀性逐渐增大，且射流速度整体降低。
取喷嘴直径10m m 时冲洗管压力分布如图10， 可以看出，冲洗管内部压力分布己出现梯度衰减，其变 化趋势与射流速度的分布规律一致。该工况下速度及压 力分布己不满足假设条件，此时理论计算模型不再适用。(2) 取/?。=0.8 1\/[?3，《=15，<^=6 111111，以冲洗管直
表1
射流速度与冲洗压力的对应关系表
入□压力/MPa 0.20.40.60.8 1.0 1.2
弧齿
仿真射流速度/(m • s '1)17.9225.3631.0735.8640.1343.96理论射流速度/(m + ^)
20.0228.3134.6740.0444.7649.04射流速度误差
10.5%
10.4%
10.4%
10.4%
10.3%
10.4%
C .
E /钯驾衮甚笸钽
7
图
S
o o o o o
5 4 3 2 1
c E W - $.0^
5050505
54433221(，.s
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怎
•26 •清洗世羿第12期
径0为变量，分别取0=150、75、50、37.5、3〇111111进行计算，进一步验证不同时速度分布规律。
不同冲洗管直径D对应的喷射流速度分布如图11。可以看出，该射流速度与图8分布规律近似。当D=30 mm (<5=0.6)时，管径减小后沿程损失影响较明显，该 速度分布与图8中扣10 mm(*5=0.6)时相比，冲洗管 末端喷嘴速度降低。
图11不同冲洗管直径时射流速度分布
取冲洗管直径D=30 mm时冲洗管内压力分布如图 12，可以看出，该工况下冲洗管内部压力分布规律与图 10基本一致。
Pressure [Pa]
图12 D=30 mm时冲洗管内压力分布
综上分析，可以得到如下结论：理论推导式（7) 与式（11)的适用范围与结构参数有关，当截面收缩系 数<5较大时，冲洗管不能形成有效憋压，各喷嘴射流速 度及压力分布呈梯度衰减，对冲洗效果有较大影响。在 本案例工况下，建议结构设计满足0.216，可达到较均匀的冲洗射流分布。
5结论
通过以上分析，可得出如下结论：
(1)基于理想流体假设，推导了多喷嘴射流速度计 算公式，并通过CFD数值模拟验证得到：考虑湍流及
粘滞效应的实际射流速度低于理论计算结果约10.4%。
(2)通过分析不同冲洗压力时的喷嘴射流速度，表 明射流速度与冲洗压力的平方根近似呈正比关系，仿真
结果与理论推导吻合较好。
(3)射流速度分布的不均匀性与结构参数有关，当截面收缩系数较大时，各喷嘴射流速度及压力分布呈梯
度衰减。通过分析不同值对应的射流速度分布曲线，进
一步确定了满足流量分配（射流速度）均匀性的临界值，
对于反冲洗系统设计及优化具有一定指导意义。
参考文献：
[1]李辉.孔板细格栅在MBR工艺预处理系统改造中的应用
[■!].给水排水，2016,42(6):92-96.
[2]谷京泽，马宁，张炯.未来科技城再生水厂两种细格栅设
备的选择[J].北京水务，20丨6(3):42-44.
[3]康灿，刘海霞，杨敏官，等.高压水射流技术基础及应用[M].
机械工业出版社，2016.
[4]周文会.高压水射流喷嘴内外部流场的数值模拟研究[D].
兰州理工大学，2008.
[5]任小增，彭高明，唐勇.清洗用扇形喷嘴结构参数对其内
渣油四组分部射流的影响[J].流体机械，2009,37(3):28-33.
[6]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，20丨1，39(5):13-19.
[7]杨怀银.圆锥形多孔喷嘴的低压射流特性研究[D].西南交
通大学，2015.
[8]董宗正，付必伟，郭灿，等.基于CFD的高压水射流喷嘴
流场仿真分析[■!].石油和化工设备，2016,19(7):20-23.
[9]李玉柱，贺五洲.工程流体力学[M].北京：清华大学出版
社，2006.
[10] 温正，石良辰，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].
北京：清华大学出版社，
2009.
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