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0 引言
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随着水射流技术不断发展，Johnson 和Kohl 等将空化技术引入水射流技术领域，开创了一种新型的空化水射流。为了更有效地产生空化，国内外学者研究开发了各种类型的空化喷嘴，Johnson 等使用中心体喷嘴和旋转叶片喷嘴产生空化水射流，这成为了典型的空化喷嘴。日本学者Katsuya Yanaida 在淹没条件下进行简单角形喷嘴的试验等，增加了淹没条件下空化水射流理论。它在水射流束中人为地制造出高密度的空泡，并大量使用。物体中的空泡溃灭产生的微流体冲击，达到清除硬污物和附着生物的目的。与传统的冲蚀方法相比，利用空化射流冲蚀具有安全，环保，高效等优点。喷嘴泵压的选择对清洁效果有重要影响，如果泵压过高，无疑会对高压泵提出更高的要求，从而导致成本增加。如果泵压过低，则冲蚀效果可能达不到要求。为了获得最佳的泵压，减少能耗，增加安全性。使用FLUENT 软件模拟了典型的高效角形喷嘴，并分析了泵压对喷嘴空化强度的影响。 1 数值模拟与分析1.1计算模型和预处理设置
计算模型RNG k-Ɛ模型用于湍流模型，RNG k-Ɛ模型模型的耗散率Ɛ和湍流能量k 的控制如下：如何自制软玻璃
Gk 是由速度梯度引起的湍动能k 产生的，Gb 是由浮力影响引起的湍动能k 产生的，YM 是可压缩湍流的脉动膨胀对总耗散率 的影响。∂k 和∂ε分别是湍动能k 的有效湍流普朗特数的倒数和耗散率Ɛ，β=0.012，C μ= 0.0845，C1ε= 1.42，C2ε= 1.68。图1详细显示了典型的角形喷嘴的结构和参数。 喷嘴由四个部分组成，1代表进口腔，2代表共振腔，3代表收缩腔，4代表出口腔，尺寸以mm 为单位。
为了观察从角形喷嘴喷射的流体的特性，设置了外部流场，如图2所示。入口1是喷嘴的泵压入口，并且泵压被设置为唯一变量，分别为5MPa ，10MPa ，15MPa ，20MPa ，30MPa ，50MPa 。为了确保外部流体可以成功地从进口2到出口流动，进口2的压力值应大于外部压力。根据P =ρgh ，我们可以得到与淹没深度有关的出口压力。入口和出口的湍流强度设置为5％。墙体表面条件牢固，墙体不滑移，采用墙函数法封闭墙体区域。外流区域代表
泵压对射流强度的数值研究
杨首谋
（合肥华升泵阀股份有限公司 安徽 合肥 231100）
摘要：空化射流产生的关键在于空化喷嘴。泵压的选择对冲蚀效果产生极大的影响。为了获得最佳的泵压，利用FLUENT 软件对角形喷嘴内部流场进行数值模拟，分析喷嘴泵压对空射流强度的影响。计算结果表明，随着泵压的增加，速度和动压相应增大，但速度增加的斜率变慢；气相体积也随着泵压的增加而增加，气相体积在泵压为5-20MPa 的区间内生长速度逐渐变缓，泵压继续增加气相体积增长
速度不明显，空化强度随泵压的增加存在极值点（最佳泵压）。通过数值模拟，泵压为20MPa，空化强度高，冲蚀效果好，节省能耗。关键词：
泵压 ；空化喷嘴；射流强度；数值分析
(1)
(2)
图2 喷嘴型号的预处理设置
图1 角形喷嘴的结构
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水下环境，使用网格模块中的分区功能在本地加密2D 模型的各个部分。图2（b ）显示了收缩腔和出
口端的会聚。网格质量高于0.7。网格数为889602，绝对确保了仿真的准确性。
1.2结果与分析
1.2.1泵压对速度的影响
在分析之前，我们首先验证仿真结果的正确性。当喷嘴泵压为5 MPa 时，通过FLUENT 获得的最大速度为V = 101m/s ，如图3（a ）所示。根据V=447√p ，我们可以得
到V = 99.95m/s ，其中V 是流体的最大速度，m/s 。P 是泵压，MPa 。两种结果基本吻合，证明了仿真结果是可靠的。图3显示最大速度出现在收缩腔中。由于注入受水下环境
阻力的影响，速度随从远离喷嘴出口端而减小，同时，冲击面增加。
图4表示与不同的泵压相对应的喷嘴轴线的速度值。可以看出，流体的速度在进入收缩腔后迅速增加，并在收缩腔的末端达到最大值。从收缩腔喷出高压水后，速度出现脉动。合理的解释是，从收缩腔中喷出的流体对周围的水产生了强烈的剪切作用，如图5中的虚线框所示。在流体离开收缩腔后，出现了一个恒速区，其长度为约10mm 然后，速度迅速降低，并且泵压越大，速度开始急剧降低
的距离就越长。另外，当泵压达到20MPa 时，收缩腔中的最大速度超过200m/s ，并且等速区域中的值也接近该数字。在水下清洁过程中，较高的冲洗速有利于冲洗附件并具有较高的清洁效率。
1.2.2 泵压对动压的影响
动压公式为p=0.5ρV2对于不可压缩的流体，ρ保持恒定，并且P 与V 的平方成比例。流体流动实际上是能量转换过程。能量从压力势能转换为流体的动能。在转换中，具体的表达式是速度和动压力增加。在图6中，最大动态压力也存在于收缩腔中，并且随着泵压的增加而增加。就增长趋势而言，动压在收缩腔中迅速增加，然后在等速区域中基本不变，但在等速区域的末端，它迅速衰减。另外，当泵压较高时，如30MPa 、50MPa ，在收缩腔内至恒速区的流体速度出现一个波谷，这种现象值得我们进一步探讨。
1.2.3 喷嘴泵压对气相体积的影响
纳米碳化硅从图7可以直观地知道，当泵压为5 MPa 时，空化现象不明显，气相体积仅为6.7％，而当泵压等于或大于10 MPa 时，空化强度 变得可观。例如，当泵压为20MPa 时，气相体积的最大值为58.0％。由于大的速度梯度，在收缩腔的末端产生了空泡。在水的粘性力和反向压力的作用下，射流边界充满涡流，当涡旋压力低于液体的饱和蒸汽压时，水流中充满了低压区，这为产生空化创造了条件。图8表明，收缩腔出口处的压力低于液体的饱和蒸气压，
(a) 5 MPa (b) 10 MPa
(c) 15 MPa (d) 20 MPa
(e) 30 MPa (f) 50 MPa
图3
不同压力下的速度云图
图4 对应于不同泵压的轴速度
图5 收缩腔末端的速度流线
图6
对应于不同压力的轴向动压
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图7对应不同注入压力的气相体积分布
(a) 5 MPa (b) 10 MPa
(c) 15 MPa (d) 20 MPa
(e) 30 MPa (f) 50 MPa
图8压力为20 MPa
时喷嘴轴向的静压力切筋
图9
不同压力下的最大速度，动压和气相体积变化
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证明了空化的产生，空化强度可以从图中观察出。
曲线1代表在不同泵压下轴上最大速度的增长率。从图中可以看出。从图9可知，随着泵压的增加，速
度相应地增加，并且斜率逐渐变小。曲线2表示在不同泵压下轴上最大动压的增长率。可以看出，随着泵压的增加，动压
也随之增加，动压与注入压强之间的线性关系也表明动压与速度的平方成正比。曲线3代表在不同泵压下轴上最大气相体积的增长率。可以看出，随着泵压的增加，最大气相体积也增加，并且在泵压为5~20 MPa 时，生长速率更加明显，继续增加泵压则增长缓慢，这表明空化作用是在这种情况下，可以通过增加泵压来限制。
2 结语
本文将FLUENT 应用于模拟角空化射流喷嘴，并设定了六组泵压。通过比较速度，动压和气相体积，得出以下结论：最大速度出现在收缩腔中，并且有一个恒定的速
度区，然后随着轴距离的增加，速度减小，但是冲击面积变大。动压和速度的变化非常一致，这反映在速度的增加以及动压中。收缩腔末端的分压低于饱和蒸汽压，因此水流中充满了空化气泡。随着泵压的增加，速度和动压也相应增加，但速度增加的斜率变慢。气相体积也增加，但在5~20 MPa 的间隔内生长速率缓慢增长，然后继续增加泵压气相增加不明显，这表明在这种情况下，通过增加泵压来限制空化强度的影响。最佳泵压为20Mpa 空化喷嘴选择合适的泵压不仅可以满足操作要求，而且可以节省能源。
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