郑帮龙，雷泽勇，李 魁，乐泽锌，李兴镇

(南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421000)

0 引 言

水射流清洗技术是一项无污染、高效的清洗技术，其在机械、航空航天、建筑采矿、石油等众多领域有着广泛的应用前景，相比西方发达国家，我国仍然有着不小的差距，随着流体在仿真方法与实验检测的发展，使射流技术在清洗行业发挥着越来越重要的作用。国产铀化学浓缩物因物料物理性状及专用料桶等原因，仍一直沿用人工操作方式，在对块状、膏状等物料进行处理时，则需要使用撬棍、铲锹等工具，残留在桶壁的物料采用人工清洗的方式进行清洗，物料具有一定的放射性，清洗时水和物料的混合物容易飞溅，造成二次污染。由于水射流技术在清洗料桶、储物罐体等方面应用较广，采用水射流清洗料桶是一种较为可行的方法。国内外学者为研究不同参数条件下的高压射流进行了相关实验和数值模拟仿真。

Saha等人通过实验研究雷诺数和韦伯数对射流破碎状态的影响，探讨了长波长和短波长不稳定性分别对低韦伯数和高韦伯数范围的影响。将射流破碎分为三个区域，喷嘴附近一个由薄膜和韧带区域组成的区域，在该区域发生初级破裂和一些次级破裂；第二区域，二次破裂过程继续进行，但随着破破碎时间变长而减弱，离心分散力成为主导，将较大的液滴去除到射流轴线周边，远离喷雾的区域，聚结占主导地位，液滴直径开始增加[1]。Demoulin创建了一个DNS数据库并用该方法数值模拟了柴油的喷射，来验证欧拉-拉格朗日喷嘴射流的破碎雾化模型[2]。Riha Z对比了调制水射和连续水射流在与材料相互期间的侵蚀现象，借用MicroProf FRT光学仪器观察侵蚀的材料的痕深、痕宽，以及对比材料的去除率，发现调制水射流去除材料的效率是相同条件下连续射流的四倍[3]。Lopatnikov提出一种通过高度压缩在具有高阻抗杆中产生高速的短射流这种方法可以产生速度高于1500m/sec的水射流[4]。Xia Y比较在没有空气情况与有空气情况下的水射流，揭示了空气在促进水射流发生破碎过程中发挥着重要的作用[5]。

射流仿真方法主要对气液界面进行捕捉，其采用的方法主要有Level-set(水平集)法、CLSVOF(水平集与体积分数耦合)法、VOF(体积分数)法、VOF TO DPM法[8-11]。文中采用基于VOF模型模拟射流从喷嘴中喷射的过程，通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数(Volume Fraction)来模拟空气与水不能混合的流体间的相互作用及对清洗效果的影响，为物料桶的清洗提供一定理论指导。

1 流场仿真分析

1.1 物理模型

喷头作为射流清洗的重要元件，其结构直接影响清洗效果，建立多喷口水射流模型，水经过入口流经喷嘴内流域，然后通过喷嘴喷出进入空气，水射流射击清洗的目标，其模型如图1所示。根据喷嘴的模型建立气液两相流的流体域,采用ANSYS中的网格划分模块mesh对二维流体域进行网格划分，并对边界条件进行命名便于后续设置边界条件的参数，同时将划分好的网格导入FULENT模块在FULENT的显示网格如图2所示。

图1 多喷口水射流模型

图2 流体域划分网格

文中基于VOF模型进行计算，其水相的体积分数的追踪，通过追踪水相得到射流的轨迹，其初始状态水相和空气相的体积分数分布如图3所示，体积分数最高的区域为流道里的水，体积分数最低的区域为水射流从喷口射出的外界空气，通过跟踪相的状态来模拟水从喷嘴中喷出的过程。

图3 主次相的体积分数分布

1.2 射流计算的控制方程

流体的流动可以用连续性方程、牛顿运动定律的动量方程以及热力学第一定律的能量方程,本文未考虑其中的传热效应，忽略热量损失的影响。

(1) 连续性方程

流体的流动问题必须满足质量守恒定律，单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元的净质量，对于可压缩和不可压缩流体都适用

其上方程是针对微体系的，第一项是表示单位时间内体系密度的增加量，第二项可理解为，体系密度的增加是由于体积的减小造成的，Sm是任何定义的认为添加的到控制方程的质量和散发的第二相(例如液滴蒸发等)

(2) 动量方程

流体在流动时遵循牛顿第二定律，即在惯性参考系中通过牛顿第二定律推导出的方程。

1.3 仿真结果

经过数值仿真的计算，得出水相的分布云图如图4所示，水经过多喷头喷出，进入空气后最后射向壁面，水射流撞击壁面后一部分的水射流反弹，另一部分的水射流沿壁面流动。由图5的压力分布图来看其水流经过出口流出后压力在出口处变大，然后随着距离变长压力逐渐减小。由图6 的水速度分布云图可以看出其水喷出喷口的一块的速度较大随着距离逐渐衰减，当水射流撞击壁面后一部分的水反射另一部分的水沿壁面流动由于有一定的速度流动的同时带走在上面的附着物达到清洗的效果。

图4 相的分布云图

图5 压力分布图

图6 速度分布图

2 不同参数对射流效果的影响

水射流从喷口喷出撞击壁面，包含水射流能量的转换。为研究相关参数对清洗效果的影响，根据流体动力学理论结合仿真数据，计算同一条件下不同的入口速度，不同清洗距离时射流撞击壁面的压力、速度的变化得出相应参数的合理值。

2.1 不同入口速度

通过数值模拟计算不同速度下喷嘴的关系，其关系如图7所示，随着入口速度的增大，喷嘴出口的最大速度，壁面的最大速度，壁面的最大打击力都呈直线增加。由于入口的速度增加，流场内的流体速度增加。流体的速度越高，相应的管道内射流的动量越高，射流的流场在喷嘴出口处形成的射流速度也越大。在靶距不变的情况，由于喷嘴出口速度的增加，到达壁面的时损失掉的速度相同，则相应射流到达壁面的速度也越大。当射流撞击壁面其动量转化为打击力，其打击力如图7所示的仿真数据来看其也随之增加。喷射速度越高其射流的喷射的距离越长，在距离相同的情况下射流的能量越高，在喷头固定不动的情况下，射流清洗的范围越大。在清洗设备允许的功率条件下，增加射流喷射速度，清洗效率呈正相关的增加。

图7 入口速度与相关参数的关系

图8 不同距离的射流的冲击压力对比

2.2 不同距离

在相同的入口速度下，不同距离的壁面其射流对壁面的冲击力、有效的射流覆盖面积、撞击壁面的速度存在差异性。这些参数影响清洗效果，因此有必要对这些参数进行分析，为探究这些参数间的关系，数值模拟计算不同距离的射流对壁面的影响。

在射流的入口速度固定的条件下，射流的喷射距离不同，其对壁面的冲击压力如图8所示，随距离的增加冲击压力整体下降，冲击压力的最大值在下降时其最大值位置随距离的增也发生了改变，整体中心向轴线正方向移动，同时通过图9所示可看出壁面剪切力随着靶距的增大而增加。射流在打击壁面后，向四周散开的水射流产生壁面剪切力比中心位置大，分析原因由于射流因冲击壁面角度发生改变，其分速度与壁面方向一致而引起剪切力增大。在清洗物料桶时可以适当的改变喷头的角度，以增强清洗效果。

图9 不同距离壁面最大剪应力对比

由图10可知在水射流在喷头出口位置速度最大，随着喷嘴离壁面的距离增大，射流的速度逐渐减小。距离越远射流的能量损失越大，在由清洗设备入口速度限制的情况，应尽量减小射流与清洗目标的距离，以达到更好的清洗效果。

图10 不同距离轴线的速度对比图

3 结 论

通过建立流体域模型与网格划分，采用VOF模型对喷头射流进行数值仿真计算，得出水射流在空气中的轨迹。通过改变入口速度，靶距参数探究其对清洗效果的影响。得出随着入口速度的增加，其射流的出口速度、壁面最大速度和打击力呈正相关增加；随着射流与清洗目标的距离增加，射流冲击壁面压力逐渐减小，能量损失增大。

此项研究对铀化物料桶清洗喷头研究，对改进喷头的设计以及优化相关参数提供了一定的指导意见，同时通过数值仿真得到，为进一步实验提供了相关的数据支持。