王佳胜，袁跃峰，谢 飞

浙江海洋大学海洋工程装备学院 浙江舟山 316022

水 射流破煤是采煤工作中常用的一种方法，因其高效、绿色、成本低以及便捷的特性得到广泛关注并快速发展起来。空化水射流是在水射流技术基础上发展起来的一种新型水射流技术。空化水射流在喷射过程中能形成大量空泡，当这些空泡破灭时，会产生瞬间的高压和高温，形成剧烈的冲击波和微射流，这种能量能显著提高射流的冲击力，有利于岩石的破碎。由于空化水射流能展现出较为良好的冲击效果，在煤矿开采及材料切割等领域中具有巨大的应用价值。

19 世纪末，Parsons 等人在调查分析舰艇和轮船的螺旋桨受到腐蚀破坏的原因时发现了空泡的影响，第一次提出了“空化”的概念[1]。之后随着对空化研究的不断深入，研究人员们发现空化具有无污染、低耗能、高效的特质，可以在射流技术中得到良好的应用。Hutli 等人通过淹没空化射流进行了试验研究，发现空化侵蚀过程与材料性能、暴露时间以及流体温度等有紧密关系[2]。Watanabe 等人采用光学显微镜、扫描电镜观察、侵蚀特性测量和同步影像成像，结合加速度脉冲测量对空化射流的云结构变化和侵蚀特性进行了试验研究。研究结果表明，空化泡在试样表面附近的溃灭与空化射流在试样表面的侵蚀分布有关[3]。在国内，李根生等人用硬质合金为主要材料研制出了石油钻井用自振空化射流喷嘴，并通过试验表明，自振空化喷嘴钻头相比于普通中长喷嘴钻头的钻井速度提高了 10.5%～ 49.3%[4]。孙军等人通过对风琴管喷嘴出口段的粗糙管道流场进行分析，发现凸起的存在显著影响了近壁面流场压力，空泡演变初期，凸起高度和宽度的增加提高了空泡生长速率，随时间延长，凸起的尺寸增加加速了空泡的破灭[5]。在仿真研究上，刘伯轩等人采用 CFD 软件对新型复合喷嘴进行了模拟研究，发现复合喷嘴在非淹没条件下具有良好的空化效果[6]。

目前，空化水射流现象主要通过特定的喷嘴结构诱发空化这一方式发生，因此喷嘴是影响空化现象的关键部件。研究人员对空化射流喷嘴的结构进行了大量的研究，喷嘴结构有自激震荡型喷嘴[7]以及绕流型喷嘴[8]，这 2 种结构均存在空化强度有限以及空泡含量均匀性较差等问题。笔者结合自激震荡型喷嘴以及绕流型喷嘴的结构原理，提出了一种新型的串联组合喷嘴，并采用 Fluent 软件进行数值模拟，探究该串联组合喷嘴的射流空化性能，为空化喷嘴的设计以及研究提供了借鉴。

1 机理分析及物理模型

1.1 机理分析

基于风琴管喷嘴，在喷嘴出口端串联一个中心体空化器，形成新的串联组合喷嘴，其结构如图 1 所示。当稳定流体进入喷嘴，谐振腔处的收缩面使流体产生初始压力激动，并将压力激动反馈回谐振腔，形成反馈压力振荡。当压力激动的频率与风琴管谐振腔的固有频率相匹配时，反馈的压力震荡在谐振腔处得到放大，从而引发流体共振，促使射流剪切层涡流变成大结构分离环状涡流，这种大结构分离环状涡流使流体的空化程度得到增强[9]。经过初步空化增强后的流体绕过中心体后，在尾部区域产生低压漩涡区，促使流体空化强度得到进一步提高，最终产生较为明显的空化射流效果。

1.2 几何模型

串联组合喷嘴几何模型如图 2 所示。该喷嘴主要由入口腔、谐振腔和中心体腔 3 部分组成。

图2 串联组合喷嘴几何模型Fig.2 Geometrical model of series combined nozzle

在稳定流动的理想流体中，喷嘴入口截面及出口截面之间的物理关系可由伯努利方程定义[10]，

式中：p1、p2为喷嘴进、出口压力，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；v1、v2为喷嘴进、出口平均流速，m/s。

射流的空化程度可以由空化数σ来定义，

式中：p∞为环境压力，Pa；pv为流体饱和蒸汽压，Pa；v为流体速度，m/s。

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型

采用 ICEM 软件进行网格划分，如图 3 所示。由于模型具有对称性，为了减小计算量，提高收敛速度，选用喷嘴截面的一半进行计算。

图3 喷嘴网格划分Fig.3 Mesh division of nozzle model

由于流体流动状态主要为湍流流动，选用 RNGk-ε模型。该模型考虑了涡流对湍流的影响，提高了漩涡流动的精度。该模型的输运方程如下：

式中：k为湍流动能；ε为湍流耗散率；Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM为湍流脉动膨胀对总耗散率的贡献项；α k、αε分别为k和ε有效普朗特数的倒数；C1ε、C2ε、C3ε为常数项；Sk、Sε为自定义源项。

多相流模型选用 mixture 模型，该模型考虑了界面传递特性及两相间的扩散和脉动作用[11]，对于气液混合流场有较高的准确性和较快的计算速度；空化模型采用 Schnerr and Sauer 模型，该模型在压力系数计算方面更有优势，且计算更容易收敛。

2.2 边界条件设置

计算域中流体第 1 相设置为液态水，第 2 项设置为水蒸气，液态水的初始体积分数设置为 1；入口条件设置为压力入口，压力值为 30 MPa；出口条件设置为压力出口，压力设置为标准大气压；水的饱和蒸气压设置为 3 540 Pa；工件壁面设置为无滑移壁面。设置完成后进行初始化，然后进行模拟计算。

3 结果分析

原风琴管喷嘴和串联组合喷嘴的空泡体积分数分布以及湍流动能分布如图 4、5 所示。由图 4 可以看出，风琴管喷嘴产生的射流空化强度较低并且均匀性较差，空化现象主要发生在扩张段壁面附近，并向外流场及中心轴线方向扩散。这是因为风琴管喷嘴的扩散段加强了射流与外部液体的剪切作用，该区域更容易形成漩涡，导致空化更容易在扩散段孔壁附件发生。由图 5 可以看出，漩涡使射流的湍动能在出口两端得到提升，但是在风琴管喷嘴中心轴线处的湍动能较低，这说明风琴管喷嘴中心的射流较为平稳，难以触发空化初生，这也解释了图 4 中风琴管喷嘴射流的空泡含量集中在轴线两侧，中心轴线处较低的原因。而相比于风琴管，串联组合喷嘴产生了空泡含量较高并且空泡均匀性较好的空化射流。这是因为流体绕过中心体末端后形成了低压漩涡，当漩涡中心的压力低于水的饱和大气压时，就有利于该区域空泡的初生，从而使射流在中心轴线处的空泡含量得到较大提升，并且在整体上提升了射流的空化强度，最终形成剧烈而稳定的空化射流现象。

图4 2 种喷嘴的空泡体积分数Fig.4 Cavitation volume fraction of two kinds of nozzle

图5 2 种喷嘴的湍流动能Fig.5 Turbulent kinetic energy of two kinds of nozzle

2 种喷嘴的空泡体积分数分布如图 6 所示。由图6(a) 可以看出，由于中心体的强化作用，串联组合喷嘴在轴线的最高空泡体积分数达到了 0.99，相对于原风琴管喷嘴，提高了 30% 左右。对比 2 种喷嘴，串联组合喷嘴在外流场轴线处的空化强度要明显高于风琴管喷嘴。

由图 6(b) 可以看出，风琴管喷嘴射流的空泡含量从轴线处逐渐升高，并在距轴线近 0.8 mm 处达到峰值，说明射流的空化初生强度主要集中在喷嘴孔壁周围，中心轴线处较弱。串联组合喷嘴射流的空泡含量由轴线处的最高点逐渐降低，随后出现升高的趋势，最后遇到孔壁后迅速降低到 0。原因是由于在谐振腔的震荡空化与中心体的绕流空化共同作用下，导致串联组合喷嘴的中心轴线处以及轴线两端都出现了明显的空化初生现象。对比 2 种喷嘴，风琴管喷嘴出口截面处的空泡含量波动较大，而串联组合喷嘴射流的空泡含量主要分布在 0.8～1.0 之间，上下起伏较为平缓。

图6 2 种喷嘴的空泡体积分数分布Fig.6 Cavitation volume fraction distribution of two kinds of nozzle

4 结语

基于风琴管喷嘴提出了一种与中心体相结合的新型喷嘴，并采用 CFD 软件 Fluent 数值模拟了射流的空化现象。通过模拟结果可以看出，流体通过谐振腔并绕过中心体后能产生更高含量的空泡，因此串联组合喷嘴所展现的空化效果更为剧烈。串联组合喷嘴出口孔壁周围及中心轴线处均具有明显的空化初生现象，喷嘴出口周围流场的空泡分布较为均匀。该喷嘴对于空化射流喷嘴结构的研究以及工程应用具有一定的借鉴价值。