空化水射流冲击微成形数值模拟与实验研究

水下爆炸冲击波作用下的空化效应数值仿真研究宗智;陈岗;叶帆;李海涛;赵延杰【摘要】水下爆炸冲击波会使自由液面和结构附近的水域产生空化效应，引起的空化区域在闭合溃灭时会对结构产生较大的二次加载现象。

文章理论分析了空化区域的形成，并用ABAQUS模拟计算了水下爆炸冲击波产生的空化区域的膨胀扩大、收缩溃灭过程，将模拟结果与实验值进行比较，结果表明，ABAQUS可以很好地模拟水下爆炸冲击波引起的空化现象，并验证了空化溃灭时对结构的二次加载作用是不可以忽略的。

%Cavitation can occur in water area near the free surface and structure subjected to underwater shock. A high reloading pressure is generated when the cavitation region collapses. In this paper, the for-mation of cavitation region is analyzed in theory. The evolution and closure of cavitation region are numer-ically simulated by ABAQUS and compared with experimental values. The results show that cavitation canbe simulated very well by ABAQUS and the secondary pressure producedin the fluid near the cavitation closure point is proved to be non-ignorable.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】10页(P385-394)【关键词】水下爆炸;数值模拟;空化效应;二次加载【作者】宗智;陈岗;叶帆;李海涛;赵延杰【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;中国船舶与设计研究院，上海 200011;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室船舶与海洋工程学院，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】O38;TV131.21 引言水下爆炸主要包含两个阶段：冲击波阶段和气泡脉动阶段，但实际上除了上述两个主要爆炸载荷外，还会有空化效应引起的二次加载对结构的影响。

空化水射流的研究进展王建杰;陈立宇;杨夏明;许桢英;王匀【摘要】Cavitation is a physical and chemical phenomena that bears a large energy, which can affect every aspect of life, especially on water conservancy and irrigation machinery. With the development of science and technology, people are increasingly aware of the tremendous potential of cavitation, and then tend to utilize it, especially the cavitation wa-ter-jet. In the review, the research background of cavitation water-jet application was introduced firstly. Then progress of research in its application to oil production, environmental chemical engineering, cleaning and derusting as well as ma-terial surface modification and strengthening was described. Finally follow-up development direction of cavitation wa-ter-jet technology was proposed.%空化现象是一种蕴藏着巨大能量的物理与化学现象，它能够影响到生活的方方面面，尤其对水利机械和水利工程的影响最为显著。

试 验 研 究
文章编 号 ： １ ６ ７ １ — ８ ９ ０ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ９ － ０ ０ ２ １ — ０ ４
清洗世界
Ｃｌ ｅ ａｎ ｉ ｎｇ Ｗ ｏｒ ｌ ｄ
第３ １ 卷 第９ 期
２ ０１ ５年 ９月
空 化 水 射 流 喷 嘴 设 计 与 模 拟 分 析
流清 洗技 术 的压 力 可 调 ， 可 避 免 磨 损 昂 贵 的油 漆 和 防污 、 防腐清 漆涂 层 ， 可 以将 该 技 术应 用 于水 下 清 洗 船体 。也可将该 技术应 用 于材料 的切割 和超 细粉 碎 、 岩石破 碎 、 油井疏 通等工 况 。本 设 计根 据空 化 射流 产 生机理 ， 提供 了一 种空化水 射流 喷嘴的设计方 案 。
本低 、 速度快 、 清净 率高 、 不损坏被清洗物 、 应用范围 广、 不污染环境 等特点Ｈ Ｊ 。高压水射 流是使用高压 泵打出高压水 ， 并经过一定管路到达喷嘴 ， 再把高压
力低 流 速 的水 转换 为 高压 力 高 流 速 的射 流 的 。高压
物体 ， 不受环境 、 场合等因素的限制 。因为空化水射
水射流 以其很高 的冲击 动能 ， 连续不 断地作用在被 清洗表面 ， 从而使垢物脱落 ， 最终实现清洗 目的 Ｊ 。
本 文介 绍 一种 新 型高 压 水 射 流技 术 —— 空 化 水 射流 。空化 水射 流 技术 是 将 空化 作 用 引 入 到 高压 水
射流而形成 的一种新型水射流技术。在相 同泵压条
关键词 ： 空化 喷嘴 ； 射流打击力； 模 拟 分析 中图分 类 号 ： Ｔ Ｇ１ ５ ５ ． ４ 文献 标识 码 ： Ａ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｊ ｅ ｔ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ

第２８卷㊀第５期２０１８年９月㊀㊀㊀黑㊀龙㊀江㊀科㊀技㊀大㊀学㊀学㊀报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀㊀Ｖｏｌ.２８Ｎｏ.５㊀㊀Ｓｅｐ.２０１８㊀㊀㊀㊀㊀㊀空化水射流喷嘴流场的数值模拟董㊀星１ꎬ㊀李金林１ꎬ㊀李㊀哲２ꎬ㊀靳晓明３(１.黑龙江科技大学机械工程学院ꎬ哈尔滨１５００２２ꎻ２.黑龙江科技大学环境与化工学院ꎬ哈尔滨１５００２２ꎻ３.黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心ꎬ哈尔滨１５００２２)㊀㊀摘㊀要:为了获得剪切型空化喷嘴空化水射流流场的流动特性ꎬ利用ＦＬＵＥＮＴ软件对射流全流场进行数值模拟ꎮ多相流动模型选择混合模型ꎬ空化模式由混合密度函数和蒸汽输送方程组成ꎬ分析喷嘴入口压力对射流流场的轴向速度㊁轴向动压强及气相体积分数分布特性的影响ꎮ结果表明ꎬ不同压力条件下射流轴向速度和轴向动压强分布规律相同ꎬ且具有显著的轴对称性ꎮ喷嘴发生空化时气泡最先发生在射流由圆柱段进入扩散段的位置ꎬ当压力为２０ＭＰａ时ꎬ在靶距约为１７ｍｍ的外流场区域出现涡环ꎬ且随着压力的增加ꎬ外流场靠近喷嘴扩散段位置的气相体积分数和最大气相体积分数不断增大ꎻ当压力增加到４５ＭＰａ时ꎬ喷嘴扩散段与外流场的涡环相连形成一条气相通道ꎬ该气相通道的直径随着压力的增加而增大ꎮ关键词:水射流ꎻ空化ꎻ喷嘴ꎻ流场ꎻ数值模拟ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－７２６２.２０１８.０５.０１５㊀㊀中图分类号:ＴＨ１３７.５３㊀文章编号:２０９５－７２６２(２０１８)０５－０５６０－０６文献标志码:ＡＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｃａｖｉｔａｔｉｏｎｗａｔｅｒｊｅｔｎｏｚｚｌｅＤｏｎｇＸｉｎｇ１ꎬ㊀ＬｉＪｉｎｌｉｎ１ꎬ㊀ＬｉＺｈｅ２ꎬ㊀ＪｉｎＸｉａｏｍｉｎｇ３(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００２２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ＆ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００２２ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＣｅｎｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｒａｉｎｉｎｇ＆ＢａｓｉｃＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎꎬＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００２２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｓｔｕｄｙｓｅｅｋｉｎｇｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｂｅｈｉｎｄｔｈｅｃａｖｉｔａ￣ｔｉｏｎｗａｔｅｒｊｅｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎｎｏｚｚｌｅ.ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｖｏｌｖｅｓｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｅｎｔｉｒｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｊｅｔｕｓｉｎｇＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅꎻａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｔｈｅａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙꎬａｘｉａｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｇａｓｐｈａｓｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｏｕｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｌｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｄｉ￣ｔｉｏｎｓｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍｉｘｉｎｇｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｍｕｌｔｉｐｈａｓｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅｍｉｘｉｎｇｄｅｎｓｉｔｙｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｔｅａｍｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｑｕａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓａｍｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｕｎｄｅｒｌｉｅｓａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｘｉａｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｓｕｇｇｅｓｔｉｎｇｒｅｍａｒｋａｂｌｅａｘｉａｌｓｙｍｍｅｔｒｙꎻｗｈｅｎｔｈｅｎｏｚｚｌｅｃａｖｉｔａｔｉｏｎｔａｋｅｓｐｌａｃｅꎬｔｈｅｂｕｂｂｌｅｆｉｒｓｔａｐｐｅａｒｓｉｎｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｗｈｅｒｅｔｈｅｊｅｔｅｎｔｅｒｓｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｆｒｏｍｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓｅｃｔｉｏｎꎻｗｈｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ２０ＭＰａꎬｔｈｅｖｏｒｔｅｘｒｉｎｇａｐｐｅａｒｓｉｎｔｈｅａｒｅａｏｆｔｈｅｏｕｔｅｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｉｔｈａｔａｒｇｅｔｄｉｓｔａｎｃｅｏｆａｂｏｕｔ１７ｍｍꎻａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｍｅｓａｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｇａｓｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｘｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｇａｓｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｎｅａｒｔｈｅｎｏｚｚｌｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎꎻａｎｄｗｈｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｉｓｅｓｔｏ４５ＭＰａꎬｔｈｅｎｏｚｚｌｅｄｉｆｆｕｓｅｒｓｅｃｔｉｏｎｉｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｖｏｒｔｅｘｒｉｎｇｏｆｔｈｅｏｕｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｔｏｆｏｒｍａｖａｐｏｒｐｈａｓｅｃｈａｎｎｅｌｗｈｉｃｈｉｎｃｒｅａｓｅｓｉｎｄｉａｍｅｔｅｒｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｔｅｒｊｅｔꎻｃａｖｉｔａｔｉｏｎꎻｎｏｚｚｌｅꎻｆｌｏｗｆｉｅｌｄꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:２０１８－０７－１５㊀㊀基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(Ｅ２０１６０６０)ꎻ黑龙江省教育厅科学技术研究项目(１２５３１５６９)㊀㊀第一作者简介:董㊀星(１９６４－)ꎬ男ꎬ河北省滦平人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:水射流技术及流体机械设计理论ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｄｏｎｇｘｉｎｇｗｒｈ＠１６３.ｃｏｍꎮ０㊀引㊀言空化现象最开始作为一种有害影响ꎬ严重威胁着水力机械的泵轮㊁螺旋桨等关键零部件的使用寿命和可靠性ꎮ随着科学技术的进步ꎬ空化效应所产生的巨大能量逐渐被人们所认知ꎬ并得到了有效利用ꎮ１９７２年ꎬＪｏｈｎｓｏｎｄ等推导出了等温压缩条件下空化水射流产生的冲击压力与连续水射流冲击压力之间的关系ꎬ推动了空化水射流技术的发展[１]ꎮ目前空化水射流技术已经推广应用到机械㊁矿山㊁轻工㊁消防等诸多领域ꎬ用于清洗㊁破碎㊁灭尘㊁喷丸强化等作业ꎮ空化喷嘴是空化水射流系统中的关键元件ꎮ根据空化的初生原理不同ꎬ主要有剪切型㊁绕流型和振荡型喷嘴ꎮ为了获得空化喷嘴的空化效果ꎬ一些水射流工作者采用数值模拟的方法弥补实验研究的不足ꎬ研究空化喷嘴的流场特性ꎬ并取得了相应研究成果[２－８]ꎮ但是ꎬ现有的有关空化喷嘴流场数值模拟的研究ꎬ采用的射流喷嘴入口压力多在中低压力范围ꎬ对高压状态下的空化喷嘴流场数值模拟研究少见报道ꎮ因此ꎬ笔者基于ＦＬＵＥＮＴ软件对剪切型空化喷嘴全流场进行数值模拟ꎬ分析射流喷嘴入口压力对空化水射流空化效果的影响ꎬ获得高压剪切型空化喷嘴水射流流场特性ꎬ为高压剪切型空化喷嘴的工业应用提供技术支持ꎮ１㊀基本模型与计算方法１.１㊀几何模型采用Ｐｒｏ/Ｅ软件建立空化水射流喷嘴的几何模型ꎮ该模拟喷嘴由收敛段㊁圆柱段㊁扩散段和外流场圆柱体四部分组成ꎬ各部分的结构尺寸取决于射流工作系统的压力和流量ꎮ根据实际工况要求ꎬ取喷嘴收敛段入口直径为７ｍｍꎬ长度为９.７ｍｍꎬ收缩角为３０ʎꎻ圆柱段直径为２ｍｍꎬ圆柱段与扩散段长度均为１０ｍｍꎻ扩散段出口直径为１３.５５ｍｍꎬ最佳扩散角为６０ʎ[４]ꎻ外流场直径为３０ｍｍꎬ长度取２０.７ｍｍꎮ该尺寸的外流场在满足计算要求的情况下可降低计算量ꎮ１.２㊀有限元模型将喷嘴几何模型导入ＦＬＵＥＮＴ软件前处理器ＧＡＭＢＩＴ中ꎬ并利用ＧＡＭＢＩＴ模块生成网格ꎮ模型全局采用四边形结构化网格ꎬ在此基础上ꎬ对圆柱段及扩散段的近壁面进行局部网格加密ꎬ并对外流场进行网格细化ꎬ以提高计算过程的稳定性及精度ꎬ加快迭代收敛ꎮ划分后的网格单元数为１１６２５个ꎬ节点数１１９３０个ꎬ形成的有限元模型如图１所示ꎮ图１㊀有限元模型Ｆｉｇ.１㊀Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ１.３㊀数学模型空化水射流是流体运动的一种形式ꎬ必须满足质量守恒方程和动量守恒定律ꎬ此外ꎬ根据射流的特点ꎬ还应满足特定的物理方程[９－１０]ꎮ(１)连续性方程∂∂ｔ(ρｍ)＋Ñ (ρｍｖｍ)＝ｍ ꎬ(１)ρｍ＝ð２ｋ＝１αｋρｋꎬ(２)式中:ｔ 时间ꎬｓꎻρｍ 混合密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｖｍ 质量平均速度ꎬｍ/ｓꎻρｋ 第ｋ相密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｍ 空化气穴产生的质量传递ꎬｋｇꎻａｋ 第ｋ相的体积分数ꎬ设水为第一相ꎬ蒸汽为第二相ꎮ(２)动量方程混合模型的动量方程∂∂ｔ(ρｍｖｍ)＋Ñ (ρｍｖｍｖｍ)＝－Ñｐ＋Ñ [μｍ(Ñｖｍ＋ÑｖＴｍ)]＋㊀㊀ρｍｇ＋Ｆ＋Ñ ð２ｋ＝１αｋρｋｖｄｒꎬｋｖｄｒꎬｋæèçöø÷ꎬ(３)式中:μｍ 混合黏性ꎬＰａ ｓꎻＦ 体积力ꎬＰａ/ｍ３ꎻｇ 重力加速度ꎬｍ/ｓ２ꎻｐ 压力ꎬＰａꎻｖｄｒꎬｋ 第ｋ相的飘移速度ꎬｍ/ｓꎮ(３)第二相体积分数方程第二相体积分数方程[１１]为∂∂ｔ(αｖρｖ)＋Ñ (αｖρｖｖｍ)＝－Ñ (αｖρｖｖｄｒꎬｖ)ꎬ(４)１６５第５期董㊀星ꎬ等:空化水射流喷嘴流场的数值模拟式中:ａｖ 第二相的体积分数ꎻｖｄｒꎬｖ 第二相的飘移速度ꎬｍ/ｓꎻρｖ 第二相密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎮ(４)空化模型ｖ㊁ｇ㊁ｌ分别代表蒸汽㊁气体㊁液体状态ꎬ混合密度函数[１２]为１ρｍ＝ｗｖρｖ＋ｗｇρｇ＋１－ｗｖ－ｗｇρｌꎬ(５)式中ꎬｗ 质量分数ꎮ蒸汽输运方程[１３]为∂(ρｍｗｖ)∂ｔ＋Ñ (ρｍｖｖｗｖ)＝Ñ (ΓÑｗｖ)＋Ｒｅ－Ｒｃꎬ(６)式中:ｖｖ 蒸汽泡的速度向量ꎬｍ/ｓꎻΓ 有效扩散系数ꎬｍ２/ｓꎻＲｅ㊁Ｒｃ 蒸汽的产生率和凝结率ꎬｋｇ/ｍ２ ｓꎮ１.４㊀计算方法与边界条件计算方法:针对空化水射流的特性ꎬ压力速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥ算法ꎬ压力梯度采用Ｓｔａｎｄａｒｄ格式进行离散ꎬ动量方程㊁湍流运输方程均采用一阶迎风格式ꎬ松弛因子取默认值ꎬ应用高阶松弛处理ꎬ加快迭代收敛速度ꎬ收敛残差为１０－２ꎮ边界条件:喷嘴入口边界条件为压力入口ꎬ通过改变入口压力获得压力对射流特性的影响ꎻ外流场出口边界条件为压力出口ꎬ其值为０.１ＭＰａꎻ运行环境压力为一个标准大气压ꎬ忽略重力影响ꎮ固体壁面速度满足无滑移条件ꎬ近壁面区域采用标准壁面函数ꎮ２㊀模拟结果及分析数值模拟采用的射流喷嘴入口压力分别为５㊁１０㊁２０㊁２５㊁３０㊁３５㊁４０㊁４５㊁５０和６０ＭＰａꎬ研究不同入口压力对空化喷嘴内外流场特性的影响规律ꎮ２.１㊀入口压力对水流场的影响图２给出射流喷嘴入口压力分别为１０㊁２０㊁４０和６０ＭＰａ时ꎬ喷嘴水流场轴向速度分布云图ꎮ由图２可知ꎬ不同入口压力条件下射流轴向速度分布规律相同ꎬ且具有显著的轴对称性ꎮ在喷嘴收敛段ꎬ由于圆锥收缩结构的作用ꎬ水流场轴向速度逐渐增加ꎻ进入圆柱段后由于圆柱横截面积不变ꎬ水流场轴向速度保持不变ꎬ在圆柱段出口截面轴线上的最大轴向速度分别为１２６.５３㊁１８０.４１㊁２６３.５５和３１４.２４ｍ/ｓꎻ进入外流场后ꎬ射流处于淹没状态ꎬ射流与周围的水发生剪切产生阻力及掺混ꎬ射流轴向速度逐渐减小ꎬ在靶距为２０.７ｍｍ时ꎬ轴线上的最大轴向速度分别为８３.５９㊁１１７.６３㊁１７３.８３㊁２１２.９０ｍ/ｓꎮ图２㊀水流场轴向速度分布Ｆｉｇ.２㊀Ａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｎｔｏｕｒｏｆｗａｔｅｒｆｉｅｌｄ图３给出射流喷嘴入口压力为１０ＭＰａ时ꎬ喷嘴水流场速度矢量分布ꎮ由图３可知ꎬ在喷嘴圆柱段ꎬ２６５黑㊀龙㊀江㊀科㊀技㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷㊀水射流的速度是均匀的ꎻ当离开圆柱段进入喷嘴扩散段后ꎬ由于扩散结构的作用ꎬ射流中心到扩散段壁面间形成较大的速度梯度ꎬ并产生一定的负压ꎬ射流与周围的水之间发生强烈的剪切ꎬ出现水微团之间的动量交换ꎬ周围水与轴向成一定角度被卷吸到射流中来ꎬ两者相互混合一起向前运动ꎮ图３㊀水流场速度矢量分布Ｆｉｇ.３㊀Ｖｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｏｆｗａｔｅｒｆｉｅｄ图４给出射流喷嘴入口压力分别为１０㊁２０㊁４０和６０ＭＰａ时ꎬ喷嘴水流场轴向动压强分布云图ꎮ由图４可知ꎬ不同入口压力条件下射流轴向动压强分布规律相同ꎬ且具有显著的轴对称性ꎮ在喷嘴收敛段ꎬ由于圆锥收缩结构的作用ꎬ水流场轴向动压强逐渐增加ꎻ进入圆柱段后由于圆柱横截面积不变ꎬ水流场轴向动压强保持不变ꎬ在圆柱段出口截面轴线上的最大轴向动压强分别为８.３４㊁１６.１９㊁３４.５９和４９.２０ＭＰａꎻ进入外流场后ꎬ射流与周围的水发生剪切产生阻力及掺混ꎬ射流轴向动压强逐渐减小ꎬ在靶距为２０.７ｍｍ时ꎬ轴线上的最大轴向动压强分别为３.４４㊁６.８２㊁１４.９３㊁２２.２９ＭＰａꎮ表１给出射流喷嘴入口压力分别为５㊁１０㊁２０㊁２５㊁３０㊁３５㊁４０㊁４５㊁５０和６０ＭＰａ时ꎬ对应的喷嘴圆柱段出口处水流场轴线上的最大轴向速度ｖｍａｘ和最大轴向动压强ｐｍａｘꎮ图５和图６分别给出了喷嘴圆柱段出口处水流场轴线上的最大轴向速度和最大轴向动压强ꎬ随射流图４㊀水流场轴向动压强分布Ｆｉｇ.４㊀Ａｘｉａｌｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｏｕｒｏｆｗａｔｅｒｆｉｅｌｄ３６５第５期董㊀星ꎬ等:空化水射流喷嘴流场的数值模拟表１㊀不同入口压力下的水流场最大轴向速度和动压强Ｔａｂｌｅ１㊀Ｍａｘｉｍｕｍａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｍａｘｉｍｕｍａｘｉａｌ㊀㊀㊀ｄｙｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｐ０/ＭＰａｖｍａｘ/ｍ ｓ－１ｐｍａｘ/ＭＰａ５９２.９３４.２８１０１２６.５３８.３４２０１８０.４１１６.１９２５２０１.９２２０.２９３０２２８.０８２５.９０３５２４６.３５３０.２２４０２６３.５５３４.５９４５２７７.６４３８.４０５０２９４.３２４３.１６６０３１４.２４４９.２０喷嘴入口压力的变化关系曲线ꎮ由图５和图６可知ꎬ水流场轴线上的最大轴向速度和最大轴向动压强均随着射流喷嘴入口压力的增加而明显增大ꎬ但水流场的最大轴向速度增大幅度比最大轴向动压强增大幅度衰减较快ꎮ图５㊀最大轴向速度随压力变化关系Ｆｉｇ.５㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｘｉｍｕｍａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ图６㊀最大轴向动压强随压力变化关系Ｆｉｇ.６㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｘｉｍｕｍａｘｉａｌｄｙ￣ｎａｍｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ２.２㊀入口压力对气相体积分布的影响图７给出射流喷嘴入口压力分别为５㊁２０㊁４５和６０ＭＰａ时ꎬ喷嘴流场的气相体积分数分布云图ꎮ图７㊀气相体积分数分布Ｆｉｇ.７㊀Ｖａｐｏｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｏｕｒｓ由图７ａ可知ꎬ空化现象最先发生在射流由圆柱４６５黑㊀龙㊀江㊀科㊀技㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷㊀段进入扩散段的位置ꎬ这是由于喷嘴扩散结构和射流卷吸的作用ꎬ此处首先出现了环境绝对压力小于该温度下水的饱和蒸汽压现象ꎬ满足空化初生条件ꎬ形成了空化气泡ꎮ气泡主要分布在扩散段的近壁面附近ꎬ呈轴对称的放射状分布ꎬ且气相体积分数沿喷嘴扩散段近壁面逐渐减小ꎻ外流场均匀分布少量气泡ꎬ在各自的靶距位置ꎬ轴线上的体积分数最小ꎮ由图７ｂ可知ꎬ在射流靶距约为１７ｍｍ的外流场区域出现了涡环ꎬ该范围内的气相体积分数明显高于外流场其他区域ꎮ由图７可知ꎬ随着射流入口压力的增加ꎬ外流场靠近喷嘴扩散段位置的气相体积分数不断增加ꎬ涡环宽度也随之增大ꎬ当入口压力为４５ＭＰａ时ꎬ喷嘴扩散段与外流场的涡环相连形成了一条气相通道ꎬ且该气相通道的直径也随着入口压力的增加而增大ꎮ表２给出了射流喷嘴入口压力分别为５㊁１０㊁２０㊁２５㊁３０㊁３５㊁４０㊁４５㊁５０和６０ＭＰａ时ꎬ对应的喷嘴流场最大气相体积分数φ２ｍａｘꎮ表２㊀不同入口压力下的最大气相体积分数Ｔａｂｌｅ２㊀Ｍａｘｉｍｕｍｖａｐｏｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅ图８给出了喷嘴流场最大气相体积分数φ２ｍａｘ随射流喷嘴入口压力的变化关系曲线ꎮ图８㊀最大气相体积分数随压力变化关系Ｆｉｇ.８㊀Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍａｘｉｍｕｍｖａｐｏｒｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ由图８可知ꎬ喷嘴流场最大气相体积分数随射流喷嘴入口压力的增加不断增大ꎬ但增大幅度逐渐减小ꎮ３㊀结㊀论(１)不同压力条件下射流轴向速度和轴向动压强分布规律相同ꎬ且具有显著的轴对称性ꎻ在圆柱段出口截面轴线上ꎬ最大轴向速度和最大轴向动压强均随着压力的增加而增大ꎻ在外流场中ꎬ射流轴向速度和轴向动压强均随着靶距的增加而减小ꎮ(２)喷嘴空化气泡最先发生在射流由圆柱段进入扩散段的位置ꎬ并主要分布在扩散段的近壁面附近ꎬ呈轴对称的放射状ꎬ体积分数沿喷嘴扩散段近壁面逐渐减小ꎮ当压力为２０ＭＰａ时ꎬ在靶距约为１７ｍｍ的外流场区域出现涡环ꎬ该范围内的气相体积分数明显高于外流场其他区域ꎮ(３)随着压力的增加ꎬ外流场靠近喷嘴扩散段位置的气相体积分数和最大体积分数不断增加ꎬ涡环宽度也随之增大ꎮ当压力为４５ＭＰａ时ꎬ在喷嘴的扩散段壁面附近与外流场的涡环之间形成了一条气相通道ꎬ且该气相通道的直径随着压力的增加而增大ꎮ参考文献:[１]㊀赵文亮.水下空化射流冲蚀技术及实验研究[Ｄ].杭州:浙江大学ꎬ２０１６.[２]㊀ＭａｒｃｏｎＡꎬＭｅｌｋｏｔｅＳＮꎬＣａｓｔｌｅＪꎬｅｔａｌ.Ｅｆｆｅｃｔｏｆｊｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｃｏ￣ｆｌｏｗｗａｔｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎｊｅｔｐｅｅｎｉｎｇ[Ｊ].Ｗｅａｒꎬ２０１６(３６０/３６１):３８－５０.[３]㊀洪㊀锋ꎬ高振军ꎬ袁建平.基于Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｐｌｅｓｓｅｔ方程的空化模型改进与应用[Ｊ].农业机械学报ꎬ２０１８ꎬ４９(２):１２６－１３２.[４]㊀姚立明ꎬ赵㊀怡ꎬ李大尉ꎬ等.几种空化喷嘴流场的数值模拟[Ｊ].节能技术ꎬ２０１５ꎬ３３(１):２０－２４.[５]㊀罗㊀冲.空化泡及空化水射流的数值模拟[Ｄ].杭州:浙江工业大学ꎬ２０１６.[６]㊀赵新泽ꎬ汪㊀坤ꎬ徐㊀翔ꎬ等.风琴管空化清洗喷嘴结构改进及数值分析[Ｊ].科学技术与工程ꎬ２０１５ꎬ１５(３５):１３１－１３７.[７]㊀龙新平ꎬ王㊀炯ꎬ左㊀丹ꎬ等.文丘里管不同空化阶段空化不稳定特性的试验研究[Ｊ].机械工程学报ꎬ２０１８ꎬ５４(２):２０９－２１５.[８]㊀张㊀坤ꎬ陈颂英.自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟[Ｊ].排灌机械工程学报ꎬ２０１８ꎬ３６(４):２８８－２９３.[９]㊀董㊀星ꎬ刘雨庆ꎬ李金林.前混合水射流喷嘴流场的数值模拟[Ｊ].黑龙江科技大学学报ꎬ２０１６ꎬ２６(５):５５８－５６３.[１０]㊀董㊀星ꎬ孔存阳ꎬ常㊀禄ꎬ等.后混合水射流扇形混合喷嘴的设计与流场数值模拟[Ｊ].黑龙江科技大学学报ꎬ２０１７ꎬ２７(２):１５９－１６４.[１１]㊀江㊀帆ꎬ黄㊀鹏.Ｆｌｕｅｎｔ高级应用与实例分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００８:１４７－１４９.[１２]㊀汤继斌ꎬ钟诚文.空化㊁超空化流动的数值模拟方法研究[Ｊ].力学学报ꎬ２００５ꎬ３７(５):６４０－６４４.[１３]㊀刘春节ꎬ吴小锋ꎬ干为民ꎬ等.基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟[Ｊ].中国机械工程ꎬ２０１５ꎬ２６(２４):３３４１－３３４７.(编辑㊀晁晓筠㊀校对㊀荀海鑫)５６５第５期董㊀星ꎬ等:空化水射流喷嘴流场的数值模拟。