浙江理工大学学报，2021，45(3): 343-350
Journal of Zhejiang Sci-Tech University
DOI：10. 3969/j.issn.l673-3851(n).2021. 03.008
施红辉，张一博，王天雨，董若凌，冯子龙，彭双双
(浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州310018)
摘要：为进一步优化喷嘴结构，应用流体仿真软件Fluent对喷嘴中高压气体驱动的水柱进行数值模拟。在教 值模拟方法中应用SSTh™湍流模型与VOF模型，研究了直喷嘴、锥形渐扩喷嘴和锥形渐缩喷嘴结
构下的管内外 气/液分布与水射流的流体力学特性。模拟结果表明：直喷嘴水射流在初期有最高的射流速度，且在模拟计算域内 平均速度最高；锥形渐扩喷嘴水射流射流速度最小、喷射距离最短，在初期射流橫向扩散宽度最大；锥形渐缩喷嘴水 射流在初期横向扩散宽度最小，在射流后期水射流速度最高、横向扩张宽度最大。该研究通过数值模拟给出了锥形 渐缩及锥形渐扩喷嘴结构下高压脉冲水射流的流体力学行为，为后续进一步分析不同喷嘴结构下的高压脉冲水射 流提供了参考。 关键词：脉冲水射流；喷嘴结构；流体力学特性；数值模拟
中图分类号：O0359+.1 文献标志码：A 文章编号：1673-3851 (2021) 05-0343-08
Numerical simulation of high pressure pulsed water jet
generated by different nozzle structures
S H I H on gh u i，Z H A N G Yibo，WANG T ian y u，DONG R u olin，F E N G Z ilo n g，P E N G Shuangshuatig
(Faculty of Mechanical Engineering 8^ Automation, Zhejiang Sci-Tech
University, Hangzhou 310018, China)
Abstract：In order to further optimize the nozzle structure, numerical simulation of water column driven by high-pressure gas was carried out by using the simulation software Fluent. SST k-〇>turbulence model and VOF model were used to investigate gas/liquid distribution inside and outside the tube and the hydrodynamic characteristics of water jet under the straight nozzle, tapered divergent nozzle and tapered convergent nozzle. The experimental results showed that, the water jet under the straight nozzle had the highest speed and the highest average speed in this simulation domain in the beginning. The water jet under the tapered divergent nozzle had the lowest speed and the shortest jet distance, with the largest transverse width in the beginning. The water jet under the tapered convergent nozzle had the smallest transverse width in the beginning, the highest speed and largest transverse width in the later period. This study simulated the hydrodynamic behavior of high-pressure pulsed water jet under the tapered divergent nozzle and tapered convergent nozzle, which provides a reference for further numerical calculation and theoretical analysis of high-pressure puLsed water jet generated by different nozzle structures.
Keywords：pulsed water je t；nozzle structures；hydrodynamics characteristics；numericalsimulation
收稿日期：2020—04—14 网络出版日期：2020—09—03
基金项目：浙江省基础公益研究项目（LGG19A020002)
作者简介：施红辉（1962—），男，江苏启东人，教授，主要从事流体力学方面的研究。
344浙江理工大学学报（自然科学版)2021年第45卷
〇引言
高速脉冲水射流可聚集并瞬间释放大量的冲击 能量，具有速度快、清洗效果好、绿环保等优点，在 消防用品、农业灌溉、燃料喷射、仪器清洗与机械切 割中有着很好的应用前景。喷嘴作为射流产生装置 的核心部件，主要作用是将射流中的压力能转化为 动能，使射流高速射出，其结构形态对于高压脉冲水 射流的流体力学特征有很大的影响。相对于连续水 射流，瞬间释放体积较大的液体在实验研究中很难 实现，并且瞬间喷射出的水射流对比连续水射流，流 体力学特征更加复杂。施红辉等[14]在激波管原理 的基础上，应用高压氦气驱动水柱产生高压脉冲水 射流，得出水射流的动力学特征以及速度的发展规 律，为高压脉冲水射流的研究提供了实验基础。
近几年，随着计算流体力学的发展，众多学者对 水射流进行了深入研究。G uha等®应用湍流
模型以及欧拉多相湍流模型，准确模拟出了高速水 射流在空气中的流动特性，并且分析了完全发展的 非淹没状态高速水射流的整体结构。Majidi等[6]开 发出一种基于虚拟流体法（Ghost fluid method)的
研究超音速液体射流的计算工具，通过对比计算的 结果与同等条件下的实验结果发现，所开发的计算 工具能很好地模拟出超音速液体射流进人静止气体 介质的运动特征。汪吉军[7]通过改变喷嘴的热力学 参数和结构参数，研究了喷嘴的喷射系数随着喷射 器工作压力变化的规律，得出了不同热力参数和结 构参数的喷嘴对喷射器性能的影响。龚辰等[8]对不 同喷嘴结构下射流表面波进行了可视化研究，发现 喷嘴结构的改变会对出口处的边界层厚度产生影 响，喷嘴收缩比通过改变喷嘴出口处边界的层厚度 影响表面波变化规律。姚春德等[9]采用三维相位多 普勒粒子分析仪（Phase doppler particle analyzer, PDPA)，研究了高压共轨喷嘴结构对喷雾流体力学 特性的影响，结果表明：高压燃油喷雾的粒径分布呈 现轴线大两边小的趋势，并在喷雾边缘稍微增加；同时喷雾的索特平均直径（Sauter mean diameter，SMD)分布随着喷射压力的增大和喷孔的减小呈减 小趋势。邓军等M l数值模拟了高压气体驱动的不 同喷嘴结构对脉冲水的气/液分布、能量转化、速 度分布的影响，模拟结果表明：对比高压空气驱动的 脉冲水在不同的喷嘴结构下的运动特性，维多辛 斯基曲线结构的喷嘴射流速度的稳定性、集束性更 好，动能集中在轴线附近且射流的能量转化率更高。该模拟对脉冲水的设计具有借鉴意义，可以提高 脉冲水的出水效率。王天雨等[11]对高压气体驱 动的直喷嘴圆管水射流进行了数值模拟，并将模拟 的结果与实验结果进行比较，结果显示数值模拟的 直喷嘴水射流速度和压力的变化与实验结果有很好 的一致性，表明所采用的模拟方法在模拟高压气体 驱动大体积液柱射流方面有一定的准确性。
综上所述，众多学者已对水射流进行了大量的 研究，在喷嘴结构方面也有一定的成果，但大多数研 究的喷嘴结构为渐缩喷嘴，有关渐扩喷嘴结构的应 用或性能研究较少。本文参考王天雨等[11]的研究 方法，对高压气体驱动的直喷嘴、锥形渐缩喷嘴和锥 形渐扩喷嘴结构下的高压脉冲水射流进行数值模 拟，对比上述三种喷嘴结构水射流的运动形态、运动 速度与运动距离的相似性以及差异，并讨论产生差 异的原因。
1研究对象和数值模拟方法
1. 1研究对象
本文采用的实验装置参考文献[1]，其结构如图 1所示。实验装置为垂直布置的泣度为500 mm，管 内直径为34 m m的圆管，实验中将圆管对称分为上 下两部分：长250 mm、压力0•25 MPa充满氦气的下 半部分；长250 mm、压力为大气压充满水(体积约为0.23 L)的下半部分。在氦气和水之间有16 _厚 的聚酯薄膜将两部分隔开(数值模型中忽略其影响)。
水
氦气
图1实验装置
根据文献[12]的研究结果，锥形喷嘴的收缩角 不能太大或者扩散角不能太小，否则喷嘴的能量转 化效率就会降低。锥形喷嘴的收缩角太小或者扩散 角太大，喷嘴的长度就要随之增长，影响在现实中的 应用。本文选择的锥形渐缩喷嘴和锥形渐扩喷嘴的 收缩角和扩散角的角度为13°，渐缩段和渐扩段的 长度为17 mm，喷嘴加长在如图2(a)所示的直喷嘴 前端，设计结构图如图1所示。
第3期
施红辉等：不同喷嘴结构下高压脉冲水射流的数值模拟345
500 mm
T l 3°
IT m m
500 mm
E'-------------'F
y 1-------------'Z
Y'-------------T
(a)直喷嘴 （b )锥形渐扩喷嘴
（c )锥形渐缩喷嘴
图2喷嘴结构
喷嘴的截面积对于喷嘴的能量转换率以及现实 中的设计有很大影响，根据喷嘴直径求得喷嘴的截 面积：
式中：A 为喷嘴的截面积，mm2;Q 为喷头流量，
为流量系数，g 为重力加速度，m /s2;H
为喷头的工作压力，MPa 。
锥形渐缩喷嘴和锥形渐扩喷嘴的工作参数与直 喷管的工作参数基本一致，如表1所示。
表1
模拟中喷嘴的参数值
喷雾器直喷雾器长出口直径气室压力运行压力
径 Di/mm L/mm D2/mm Pj/MPa Pa/MPa
直喷管
34500340. 250.10锥形渐扩喷嘴34517420. 250.10锥形渐缩喷嘴34
517
26
0. 25
0.10
1.2数值模拟1.
2. 1
模型建立
本文采用商业仿真软件FLU EN T ，对直喷嘴、
锥形渐缩喷嘴和锥形渐扩喷嘴结构的脉冲水射流的
流体力学特性进行数值模拟。使用前端处理软件 IC E M 对喷管结构进行建模和网格划分；采用VOF 模型和S S T 々-〇>湍流模型的方法；通过后处理软件 CEI >P 〇st 处理结果数据，生成直观可视的图像，分
析上述三种喷嘴结构对脉冲水射流水动力学特征的 影响。
在数值模拟中需要建立合适的模型计算域，在 本次数值模拟中，射流从喷嘴直接射人到周围空气， 计算域不仅包括整个喷管的大小，也包括进人空气 中的射流发展的计算域范围，以便于观察整个射流 的动力学特征。本文数值模拟计算域如图3所示， 其中：A B 、U 、S ：T 为压力人口，压力设置为0.25 M Pa ; C D E FG H 、MA /OPQ /?、W XYZZ ' Y '为压力出 口，压力设置为大气压；B C 、A D 、JK iW 、JZ JV 、 7X /W 、S V X 设定为无滑移壁面；£F G H 、OPQi ?、 Y Z Z 'Y '为射流管外流场区域，本文数值模拟的射流 为非淹没射流，此区域内的介质为空气，压力为大气 压力，计算参数设置见表2。
(a)直喷嘴
表2
计算域初始参数
材料压力
密度Y
速度V。/
P/M P a (kg • m_1)(m « s -1)氦气0. 25
0. 16250. 00空气
0. 10 1. 22500. 00水
0. 10
0. 9982
0.00
(b)锥形渐扩喷嘴 （c )锥形渐缩喷嘴
图3
喷嘴的计算域设置
使用ICEM C F D 的结构化四边形网格对不同
喷嘴的计算域进行划分，并对喷管轴线附近的网格 进行局部加密，如图4所示。网格的最小尺寸为0.5 mm ，最终得到的三种不同喷嘴模型计算域的网 格节点数分别为402332、466276、465468个。
(a )直喷嘴
(c )锥形渐扩喷嘴
(b )锥形渐缩喷嘴 图4
喷管的网格划分示意
计算模型的边界条件包括压力人口（给定的压 采用V O F 多相流模型，该方法可以很好的追踪气/力为0• 25 MPa )、压力出口（设定为一个大气压），喷 液界面，并且采用了广泛使用的SST t o j 模型模拟揣管的壁面设置为无滑移固壁。喷管射流的数值模拟
流流场；设置氦气、液态水以及空气三相，其中氦气和
SIU 丨寸
e
346浙江理工大学学报（自然科学版)2021年第45卷
水，空气和水之间的表面张力设置为0.072 N/m。数 值计算考虑了重力的影响，并且采用了 H S O算法 对压力一速度进行耦合。
1.2.2控制方程
在本次模拟计算中，计算模型为高压氦气驱动 的高速气/液多相非定常流动，从计算开始到射流完 全喷出的时间为毫秒级。本次模拟计算应用可压缩 湍流模型，为了便于求解，将水假定为理想的可压缩 液体(热传导、黏度和横向流动忽略），假设氦气为非 黏性可压缩理想流体。使用S S T模型模拟湍 流流场，应用V O F方法对管内部及外部气/液界面 的运动状况进行追踪。根据守恒关系，此次模拟的 控制方程为：
j• (i〇v)=0(2)
p j-t+p{v .\n v=-v p〇) p — +p(v . V)e=-^V v+V• dkVT)(4)
其中表示时间，ms;i；表示流体速度，m/s;p表示 压力，MPa;e表示总能量，J;T表示温度，K。
考虑到高压气体氦气的可压缩性，理想气体的 状态方程为：
p=p R T(5)其中:i?表示气体常数。
S S T湍流模型适用于模拟高压力梯度下的 流体力学，在近壁区计算可以保持上的优势，又 拥有々-e模型精确计算远场流场的优点，增加了交 叉扩散项，并在湍流黏性系数的定义中考虑了湍流 切应力的输送过程，从而使S S T湍流模型应用 范围更广。其输运方程为：
3
Tt(pUi)3x,(p U j U j
)
是(n^)+S.，(f=1，2,3)(6) l(4)+是(6)=咅(a^)+&—Y*+S*
(7)羞(—+妾一)=忐(a S;)+G-—+s-
(8)其中A、•0*、〇…表示速度湍动能々及比耗散率w的有效扩散系数，其各自定义为：
C1 —fJ L+ fJi,
C L k=fx~\~[j.!/〇k
0,〇,=/x-bfit/a^,'j
空气喷嘴
G*表示々、w的产生项;U u表示的耗散项;D…表示交叉扩散项，起协调々-e湍流模型与
湍流模型交界区域的作用；S n S h S u为各输送方 程的自定义源项表示湍流黏性系数，其计算公 式为：
其中:S为平均应变率的张量模量i F h F z为混合 函数;^为湍流模型中的系数为湍流模
型常数。
2模拟结果与分析
2.1高压脉冲水射流数值模拟
图5—图7为直喷嘴、锥形渐扩喷嘴、锥形渐缩 喷嘴的脉冲水射流数值模拟水相图。对比三幅图可 看出，三种状态下的脉冲水射流数值模拟水相图的运 动特征有很大的相似性。在射流模拟计算的初期，由于受到高压氦气的推动力，水射流在氦气/水界面 产生Richtmyer-Meshkov不稳定性现象，形成中间 向上凸起的气泡，之后随着高压氦气的推动作用，水 柱逐渐喷射出喷嘴。后段水射流拥有更高的速度，追上速度较低的前段水射流，在射流的顶端形成了 中间向上突起的蘑菇状头部。当射流全部射出喷嘴 约16〜20m s，高压氦气进人空气中，由于高压氦气 和空气之间存在很大压力差，使得氦气和水的接触 面产生加速度，出现Rayleigh-Taylor不稳定现象。并且由于射流横向的水层厚度更薄，会在横向产生 更大的加速度，因此射流横向宽度扩张的更快。此 现象在锥形渐扩喷嘴和锥形渐缩喷嘴中更为明显。
观察对比图5—图7可以发现三种脉冲水射流 在射流喷出过程中的区别。在射流前期，直喷嘴和 锥形渐缩喷嘴要比锥形渐扩喷嘴有更好的集束性，呈现向周围锥式扩张的趋势，而锥形渐扩喷嘴则是 从喷嘴两侧向周围扩散，如图6(a)—(g)所示。相 比于直喷嘴结构的脉冲水射流，在锥形渐扩喷嘴结 构下产生
的水射流运动距离更短，但是扩散范围更 广。在产生射流的初始阶段，射流前端的蘑菇形状逐 渐成型，并从一开始就向两侧延伸发展。气/液界面 发展与直喷嘴结构类似，都是逐渐发展为中间向上凸 起的动力学行为。随着射流逐渐离开喷嘴口，由于高 压氦气通过锥形渐扩喷嘴向边缘的推进作用，水射流 形成中间中空，
两边逐渐横向扩展的伞状。
第3期
施红辉等：不同喷嘴结构下高压脉冲水射流的数值模拟347
(a) 2 ms (b) 4 ms (c) 6 ms (d) 8 ms (e) iU ms (f) 12 ms (g) 14 ms (h) 16 ms (i) 18 ms (j) 20 ms
图5
直喷嘴脉冲水射流的数值模拟水相图
(a) 2 ms (b) 4 ms (c) 6 ms
(d) 8 ms (e) 10 ms (〇 12 ms (g) 14 ms (h) 16 ms (i) 18 ms (j) 20 ms
图6锥形渐扩喷嘴脉冲水射流的数值模拟水相图
TTTT??TTTT
(a) 2 ms
(b) 4 ms
(c) 6 ms
(d) 8 ms
(e) 10 ms
(f) 12 ms
(g) 14 ms
(h) 16 ms
(i) 18 ms
(j) 20 ms
图7
锥形渐缩喷嘴脉冲水射流的数值模拟水相图
锥形渐缩喷嘴将水柱受到的压力能转换为动 能，脉冲水射流出水时速度逐渐加快，并逐渐形成蘑 菇状射流前端。随着射流的发展.射流前端的横向 扩张速度逐渐加快，在射流完全流出喷管后，高压氦 气持续作用于射流尾部.使得尾部射流速度超过初 次射流速度，导致了射流的横向扩张。整体上，锥形 渐缩喷嘴结构与直喷嘴结构产生的脉冲水射流发展 状况非常相似，只不过渐缩喷嘴下产生的脉冲射流 速度更快。并且可以明显观察到在射流后期，锥形 渐缩喷嘴的射流横向宽度最大。
图8—图10分别为直喷嘴、锥形渐扩喷嘴、锥 形渐缩喷嘴脉冲水射流数值模拟的速度云图，三种 结构下的速度云图有一定的相似性。随着高压氦气 在上游的不断推进，三种结构下管内速度逐渐增大， 喷嘴出口处射流前端的高速区也开始向下游低速区
扩散，并且在渐缩喷嘴处形成了高速区；随着水射流 的发展，管内上游形成高速区并逐渐向下游传递。 到了射流完全射出喷管的后期，在喷嘴两侧形成了 高速区，并且下游速度基本保持稳定地小幅度增长。 整个射流速度呈现出单调递增的变化。
速度/(m.s 丨> (f) 12 ms (g) 14 ms (h) 16 ms (i) 18 ms (j) 20 ms
图8直喷嘴脉冲水射流数值模拟的速度云
图
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