汪 卢，雷泽勇，邓 健，李玉文

(南华大学 机械机械工程学院，湖南 衡阳 421001)

干冰清洗作为一种高效、无二次污染的清洗方法，正被广泛应用于工业清洗中。干冰清洗过程气体磨料射流抛光或切割的原理相似，都是利用压缩空气使得颗粒介质获得较大的动能到达清洗物体的表面，通过与清洗物体表面实现能量的转换，实现清洗的过程。喷嘴作为干冰清洗系统中最重要部件，是干冰颗粒获得较高的动能实现清洗过程。目前，在磨料射流领域使用的喷嘴，根据喷嘴内部流道的形状大致可以分为圆柱型喷嘴，收敛型喷嘴及缩放型喷嘴。其中，圆柱型喷嘴由于加工简单，射流集中不易发散被广泛应用[1]。本文利用Fluent软件对圆柱型喷嘴的内外部流场进行模拟仿真，分析圆柱型喷嘴轴线上的静压、速度以及干冰颗粒速度和运动轨迹变化的原因，同时对清洗过程进行简单的模拟，为研究不同工作参数对清洗效果的影响提供理论依据。

1 流场分析理论基础

1.1 基本假设

(1)在模拟计算中该流体设为湍流流体；

(2)流体为理想气体，服从绝热流动方程；

(3)在气固两相流模拟中，干冰颗粒视为球体，密度相同且表面光滑。当固体颗粒与壁面、对称面碰撞时能量没有损失，并且为对称反射；

(4)只考虑气体作用在固体颗粒上的稳态气动阻力，忽略固体颗粒自身重力、Basset力和Saffman力对干冰颗粒的影响[2-3]。

1.2 控制方程

利用Fluent软件对喷嘴的流场及干冰颗粒的运动进行分析，应遵循质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程[4-5]。

(1)质量守恒方程

(2)动量守恒方程

(3)能量守恒方程

1.3 数学模型

气流在喷嘴内加速后达到音速，流场中的漩涡将层流破坏，相邻层流间滑动和混合形成湍流。当前，Fluent中包含的湍流的求解模型主要包括 模型、 模型、S-A模型、RSM模型(雷诺应力模型)及LES(大涡模型)等[6]。目前，模拟喷嘴的自由射流使用最多的为S-A模型，S-A湍流模型常用于大梯度、近壁的气体流动的数值模拟,在涡轮机械等方面的计算中有着广泛的应用，相比于标准 模型，S-A湍流模型对于轴对称机构的模型具有更高的计算稳定性和精度。本文选取的模型均为轴对称结构，因此选用S-A湍流模型[7-8]。

干冰清洗核废料固化桶的过程实际上是一种两相运动，包含干冰颗粒的固相和压缩空气的气流相。在连续的气流相中加入干冰颗粒，将会引起气流的流动状态(包括气体的质量、流量、动量)产生一定的影响。目前，对于气固两相流的模拟有两种方法，一种是基于欧拉-拉格朗日方程进行的两相流模拟，另一种是基于双欧拉(欧拉-欧拉)方程的计算。 本文中，将干冰颗粒视为离散相，选择欧拉-拉格朗日方程进行的两相流模拟。

2 几何建模与网格划分

2.1 喷嘴的几何形状

圆柱型喷嘴的结构如下图1所示，内径15mm，长度150mm。

图1 干冰清洗喷嘴三维图

2.2 网格的划分

本文研究的喷嘴结构相对简单，且呈轴对称结构，在ICEM CFD中采用四边形的结构化网格进行流场划分，得到高质量的网格，提高在FLUENT中运算速度。同时，对喷嘴的入口及近壁面等压力及速度梯度较大的地方进行加密，加密后的网格更容易捕捉到气流的变化情况，从而更好的分析喷嘴内外部流场的速度、压强等参数。划分的网格及边界类型的设置如下图2所示。

图2 网格划分及边界类型设置图(自由射流)

2.3 边界条件及求解器设定

选用S-A模型和离散相模型(DPM)对喷嘴的气固两相流进行仿真分析。空气作为连续相，设置为理想气体；干冰颗粒为离散相，直径大小为0.1mm，质量流量0.028kg/s，密度为1572kg/m3。工作参考压力设置为0，压力入口设置为0.8MPa，压力出口设置为标准大气压101325Pa。采用SIMPLE算法进行计算。

3 喷嘴流场仿真分析

3.1 喷嘴自由射流的气相流场分析

图3 轴线速度云图

图4 轴线压力云图

图5 轴线速度变化曲线图

图6 轴线速度变化曲线图

通过轴线上速度和压力云图发现，气流在喷嘴内加速，到达喷嘴出口时由于喷嘴出口压力远高于大气压力，出现欠膨胀超音速气流的情况，出现膨胀波，压力明显降低，距离出口50mm时速度达到最大值634m/s。随着膨胀波向下游发展，经自由表面反射成为斜激波，造成压力升高，出现膨胀波，因此在轴线上一直出现压力高低交替分布的情况[9]。随着气体黏性的影响，通过混合作用，气流压力下降与大气压力相等。

3.2 喷嘴自由射流的气固两相流场分析

利用FLUENT对干冰颗粒的运动进行模拟仿真，首先待气相流场稳定后，然后设置干冰颗粒的相关参数，比如直径大小、质量流量等参数，加载DPM模型，待残差收敛后，查看颗粒的运动轨迹及速度的变化情况。

图7 干冰颗粒的运动轨迹图

图8 轴线处干冰颗粒的速度变化

通过干冰颗粒的轨迹图及轴线处干冰颗粒的速度变化图可知，干冰颗粒在离开喷嘴后，受气流的影响，在空气中呈现散射状态，干冰颗粒的速度随着气流的变化增大。0.1mm的干冰颗粒直径较小，惯性力小，受气体阻力的影响较大，当距离喷嘴出口100mm时，干冰颗粒速度到达最大值。随着气体黏性的影响，干冰颗粒将做减速运动。

3.3 喷嘴射流清洗过程仿真模拟

进行干冰清洗冲击过程的仿真模拟时，首先对边界的类型进行修改，只要将自由射流模拟时的右边的压力出口修改为wall，得到的网格划分图如下图所示。

图9 网格划分及边界类型设置图(清洗冲击)

图10 清洗冲击过程速度云图

图11 干冰颗粒碰撞轨迹图

图10、图11分别为干冰颗粒冲击过程的速度云图和碰撞轨迹图。从图10可以看出，超声速喷流受到平板的阻挡，被迫在平板前形成一道激波，使气流的速度降低，板激波与平板间的中心部分气流的流动为亚声速状态。图12～图15分别为不同距离下，干冰颗粒冲击过程的速度云图，可以发现随着距离的增大，马赫盘不再出现，对气流的加速作用不明显，将不出现板激波[10]。

图12 靶距50mm的速度云图

图13 靶距150mm的速度云图

图14 靶距250mm的速度云图

图15 靶距350mm的速度云图

4 结论

(1)通过对圆柱型喷嘴的自由射流气相流场进行仿真分析，得到了喷嘴内外部气流的变化规律，由于膨胀波与斜激波的交替作用，轴线上气体的压强出现高低交替上升，最后与大气压相等。

(2)在稳定的气相基础上，加载干冰颗粒，模拟了干冰颗粒的运动轨迹，发现干冰颗粒速度在出口处由于压差急剧上升。随着空气黏性的影响，呈现匀速的运动，圆柱型喷嘴射流集中，不易发散。

(3)模拟干冰颗粒冲击的过程时，发现马赫盘是影响板激波产生的原因，同时马赫盘可以使颗粒加速明显，为确定合适的清洗距离提供理论指导。