高压水射流船舶表面清洗研究

高压水射流船舶表面清洗研究
摘要：为了研究圆锥形喷嘴水射流参数对水射流清洗效率的影响，利用Fluent软件对喷嘴射流进行仿真分析。

研究了射流靶距L和射流入射角β与清洗效率的影响关系。

选择喷嘴入口直径D=8mm，出口直径d=1mm，喷嘴收缩角α=13°，用来建立圆锥形喷嘴射流流场的数值仿真模型。

结果表明：当射流靶距L=80mm以及射流入射角β=10°时，对船舶表面进行冲洗的高压水射流具有更大的能量和速度，此时水射流的清洗宽度以及对船身的压力覆盖面积均达到最大，射流清洗效率能够得到明显提升。

关键词：船舶清洗；圆锥形喷嘴；收缩角；射流靶距；射流入射角
0引言
喷丸作为船舶外表面预处理最常用的除锈方法，因传统工艺会造成严重的环境污染问题，现已被欧洲发达国家全面禁止。

高压水射流清洗作为船舶清洗的一门新兴技术，具有清洗速度快、清洗质量好、清洁环保等诸多优势，广泛应用于国内外各类清洗行业[1]。

水射流清洗的工作原理是将过滤后的清水输入高压泵组将其加压，最后由不同孔径的喷嘴喷射而出从而形成高压力水射流，打击待清洗物的表面，以达到清洗的效果[2]。

圆锥形喷嘴能够喷射出锥形射流形状，射流颗粒分布均匀，同时也能够产生细小的雾化颗粒，具有较好的流通性，能够减少堵塞现象的发生，是目前工业洗涤中广泛应用的一种喷嘴。

本文是基于流体仿真软件Fluent，针对射流靶距以及射流入射角两种影响因素，对圆锥形喷嘴的射流流场进行仿真分析，为提高圆锥形喷嘴路面清洗效率提供相关的理论依据。

1喷嘴结构
1.1喷嘴结构
本文的主要研究对象为圆锥形喷嘴，该喷嘴的主要结构参数包括：喷嘴入口直径D，
喷嘴收缩角α，出口直径d和喷嘴长度L。

喷嘴直径作为喷嘴结构的重要参数，其中出口
直径d决定了射流的流量与压力，研究表明，当出口直径取值在1~3mm范围内时，射流
初始长度最好[3-4]；收缩角α是决定喷嘴射流流动阻力的主要因素。

图1为圆锥形喷嘴内部
结构示意图。

选取喷嘴入口直径D=8mm，出口直径d=1mm，α=13°，通过公式（4）计算[5]：
(1)
图1 圆锥形喷嘴内部结构示意图
2仿真结果分析
2.1射流靶距对路面清洗效果的影响
根据对连续射流结构的研究得出，在喷嘴工作时，常选择射流基本段用于清洗，而射流初始长度约为60~120d[6]，将喷嘴出口直径d=1mm代入可得，射流初始段长度范围为60mm~120mm，因此在其他条件参数相同的情况下，选择射流靶距L分别为60mm，80mm，100mm，120mm进行仿真分析。

通过对仿真数据的分析得知，不同靶距下射流对目标靶面的压力覆盖值是不同的，随着靶距的增大，靶面所覆盖的最大压力值在不断的降低，靶面射流压力具体变化趋势如图2所示。

图2 靶面压力分布图
从图2可知，射流在接近靶面的过程中压力会急剧上升，但由于沿程射流环境中空气阻力的作用，导致靶面压力相对于喷嘴入口压力有着明显的下降，四段射流靶距对应的最大靶面压力值分别为4.56MPa，2.97MPa，2.30MPa，1.88MPa，
可以看出随着射流靶距的增加，射流的打击力在逐渐降低。

同时我们也能观察得出，虽然靶距越小，射流最大打击力越大，但是对应的射流宽度较窄，清洗效率并不高。

研究得出，船身锈渍与基体之间的黏附方式[7-8]属于机械黏附方式，其吸附强度一般约为
1.5N/mm2,即σp=1.5Mpa，所以在满足射流打击力高于1.5Mpa的情况下，当射流靶距取80mm时，射流有效清洗宽度最大，约为17.12mm，此时射流有效覆盖面积达到最大值，清洗效率最高。

综合上述分析，射流靶距是影响射流打击力大小的关键因素，在进行清洗工作时，针对船身铁锈的耐压强度，选择射流靶距为80mm，能够保证射流的有效覆盖面积最大，从而提高清洗效率。

2.2射流入射角对清洗效果的影响
在其他工况条件相同的情况下，对喷嘴射流在5°、10°、15°和20°四种不同入射角冲洗壁面的流场进行仿真分析。

其中，选取喷嘴与壁面的靶面距离为80mm，射流入射角指的是水射流轴线与壁面法线方向之间的夹角。

从仿真数据结果分析得知，当射流倾斜打击到壁面后，在上方沿着射流入射角方向流动的一侧，射流压力比另
一侧大，且靶面压力分布也相对较宽，射流打击力较为集中。

这是因为下侧空气入口进气量和气流速度高于上侧，导致射流下侧区域形成了一定的负压区，加快了射流对下方空气的卷吸作用，造成射流下侧发生强烈的动量和紊流交换，使得其速度衰减较为严重，因此形成了下侧压力分布
较低的情况。

对靶面压力分布值进行提取处理，得到了如图3所示的靶面压力分布图。

图3 靶面压力分布图
从图3可以看出，伴随着入射角取值的逐渐增大，靶面压力均是在接近射流中心处取得最大值，其中β=10°时达到了3.02MPa，此时射流打击力最大。

另外，当β=10°时，通过图中对比可以看出，此时射流有效清洗宽度也是四段射流中最大的，约为19.01mm，相比最优靶距下的17.12mm，射流有效清洗宽度增加了约为11%，明显提升了射流在单位时间内对壁面的清洗面积，保证了射流清洗效率的提高。

综合上述分析，选取射流入射角β为10°能够最大限度地提升射流的有效清洗宽度，保证船身能够获得最大的清洗覆盖面积，从而提升射流清洗效率。

3结论
本文围绕圆锥形喷嘴水射流路面清洗效果的影响因素，针对射流靶距D和射流入射角β两种条件参数进行了仿真分析，得出了以下结论：
（1）射流靶距是影响射流打击力大小的关键因素，针对船舶锈渍耐压强度，选择射流靶距为80mm，能够保证射流对壁面的有效覆盖面积最大，射流清洗效率最高。

（2）相比射流垂直入射壁面，取入射角为10°时，射流有效清洗宽度提升了约11%，在单位时间内提高了射流对船身表面的清洗面积，清洗效率可以得到明显提升。