Page 83 - 《橡塑技术与装备》2025年5期

工艺与设备
PROCESS AND EQUIPMENTS

1.2 仿真参数设置
对于旋转或曲率效应显著的流动，选取
Realizable 模型能表现出更好的性能 [5] 。空气和水在
常温下它们是互不相融的两组分，因此可以选择 VOF
模型。设置多相流的第一相为空气，第二相为水。将
旋转域和静止域的接触面设置为 interface，以便两相共
用一个接口进行相互作用。采用瞬态计算，通过滑移网
格来实现喷头的旋转运动，迭代步长设置为 0.000 1 s，
图 3 旋转喷头清洗运动示意图 迭代步数为 1 000 步。

1 流场模型构建 2 流场数值模拟及结果分析
1.1 几何模型与网格划分
2.1 喷嘴倾斜角度数值模拟及结果分析
将旋转喷头仿真区域划分为内部流场和外部流
以喷头偏转半径和转速为恒定变量，探究喷嘴倾
场，其中，喷头内部流场位于旋转区域，而喷头外部
斜角度对射流流场的影响。分别对表 1 中的 5 组数据
流场处于静止区域。使用 SolidWorks 建立的旋转喷
进行模拟仿真，研究不同的喷嘴倾斜角度对射流速度
头仿真模型如图 4 所示，对于超出喷嘴部分的流体域
和压力的变化情况。
在计算中跟随喷头一起转动，目的是在之后的求解设
表 1 喷嘴倾斜角度数值模拟方案
置中便于处理旋转域和静止域的交界面。 序号 倾斜角度 /（°） 喷头偏转半径 /mm 转速 /(r . min ）
-1
1 0 20 180
2 10 20 180
3 20 20 180
4 30 20 180
5 40 20 180
射流的反冲力在圆周切向方向上的力即驱动喷头
旋转的力，当喷嘴倾斜角度等于 45° 时射流反冲力在
圆周切向方向和径向方向的分力相等。当喷嘴倾斜角
度越小，打击壁面的力越大，用于驱动喷头的力越小。
图 4 几何模型 因此，在保证即能有足够打击力，又能驱动喷头旋转
的前提下，喷嘴的倾斜角度应小于 45°。图 6 为不同
将模型导入到 Mesh 模块进行网格划分，采用四
倾斜角度的喷嘴轴向截面的速度与压力云图。从图 6
面体非结构网格划分。考虑到喷嘴处压力和速度梯度
可以看出随着喷嘴倾斜角度的增大，喷嘴内部高流速
变化较大，需要在此区域的网格进行加密，设置尺寸
区域减小，低流速区域增加，这是因为随着喷嘴倾斜
为 0.2 mm，外流场区域设置尺寸为 0.8 mm，旋转喷
角度的变化，流体速度的径向和切向分量发生重新分
头网格模型如图 5 所示。
配，一部分流速转化为沿倾斜方向的速度，使原本的
高流速区域减小，低速区域相对增大。
速度分布曲线如图 7(a) 所示，可以看出射流离
开喷嘴后速度先保持一段等速区域，然后逐渐下降，
直至速度减为 0，越接近壁面，速度下降趋势越明显。
喷嘴倾斜角度小于等于 20° 时，速度下降趋势基本一
致，喷嘴倾斜角度大于 20° 时，射流速度在等速区域
之后急剧下降，而后半段的下降趋势又与小于 20° 时
基本保持一致。压力分布曲线如图 7(b) 所示 , 可以看
出射流在离开喷嘴后压力缓慢上升，在壁面附近压力
图 5 网格模型

2025 第 51 卷 ·39·
年