1. 引言
高速铁路接触网的供电设备的清洗已大量采用大口径喷嘴进行远距离水冲洗作业。为保障系统不断电，水冲洗作业经常需要在带电的工况下完成，要求水柱长度在对应的电压等级下必须大于安全距离 [1] 。由于清洗作业时喷嘴与目标物之间的距离不是恒定的，冲洗水柱的长度也会随之变化，在某些场景下，由于没有足够的空间使冲洗水柱满足安全长度，只能放弃冲洗或更换更小的喷嘴来调节水柱，冲洗效果和作业效率受到较大影响。
作为影响水柱特性的关键部件，国内外学者对喷嘴的射流特性展开了大量研究。柯坚对带电水冲洗打击力特性及清洗效率进行了仿真研究，分析了多种典型喷嘴在不同出口压强、不同靶距下的水柱打击力 [2] 。于兰英采用CFD对扇形喷嘴清洗参数进行了研究，分析了扇形喷嘴相关结构参数对射流特性的影响 [3] 。王国志对锥形喷嘴远距离的射流特性进行了分析 [4] ，冉春燕研究了变电站绝缘子的冲洗特性，分析了有效清洗面积与射流压力和喷嘴直径之间的关系 [5] 。胡志忠对用于接触网绝缘子清洗的喷射流场特性进行了研究 [6] 。
关于带电水冲洗圆锥形喷嘴内部结构对清洗流场的影响相关研究很少见，节流技术的应用更是鲜见。本文通过在锥形喷嘴直线段不同位置增加节流环来调节喷嘴出口速度和含水量，以满足不同冲洗工况对水柱安全性的要求。
2. 喷嘴结构
本文主要研究的圆锥形喷嘴的结构如图1所示。
流域进口直径为D1，出口直径D2，喷嘴流域总长为L1，锥段收缩角为θ，直段长L2。在直段上设置圆环状节流环，节流环半径R，节流环与收缩点之间的偏移量L3。
喷嘴的参数借鉴前期的研究，选用射流特性较为理想的几何参数 [7] [8] ，具体参数见表1。
Table 1. Nozzle geometric parameters
表1. 喷嘴几何参数
主要研究对象是节流环对喷嘴射流特性的影响，在传统圆锥形喷嘴的基础上，对半径R和偏移量L3不同取值进行对比分析。
3. 仿真建模
3.1. 计算域
喷嘴流域模型示意图如图2所示，计算域轴向方向与Y轴重合，流体流动方向为Y轴的正方向，X轴和Z轴沿着计算域的径向方向。
Figure 2. Schematic diagram of nozzle watershed model
图2. 喷嘴流域模型示意图
3.2. 边界条件设置
1) 喷嘴的工质为空气和水，选用VOF两相流模型，湍流模型则选用RNG k-ε模型 [9] ，重力方向设置为Z轴的负方向，数值为9.81 kg/s2。
2) 计算域进口为压力入口条件，压力为2 MPa，进口处水的体积分数设为1；计算域出口为压力出口条件，为1个大气压，出口处水的体积分数设为0 (即在初始时刻时，计算域进口处只有水流入)。
3) 喷嘴计算域锥段的粗糙度设为0.4，直段的粗糙度设为0.2。
3.3. 网格划分
采用ANSYS mesh软件对计算域模型进行网格离散，网格类型全部采用六面体网格，网格划分结果示意如图3所示，喷嘴流域靠近壁面处边界层层数取10层，最终网格划分的数量为964,200，全部网格的歪斜率小于0.54，生成的网格质量较好。
Figure 3. Schematic diagram of nozzle computational domain grid and boundary layer
图3. 喷嘴计算域网格与边界层示意图
4. 节流环对喷嘴内部流域的影响
4.1. 无节流环(R = 0)
Figure 4. Cross section velocity cloud map
图4. 截面速度云图(单位：m/s)
如图4所示为喷嘴计算域截面速度云图。液态水在受到喷嘴收缩段的影响下，流体速度逐渐增大，在喷嘴直段时，液态水持续加速，到达喷嘴出口时速度达到最大64.45 m/s。在液态水离开喷嘴后，会发生空化，随着流体距离出口距离的逐渐增加，流体速度逐渐降低。
选取喷嘴入口(0 m)到距离喷嘴入口0.6 m (距离出口约0.5 m)处的流域为主要研究对象，图5喷嘴轴向方向的速度曲线图。
在喷嘴的出口中心位置，流速最高，截面处(0.1537 m)，液态水的平均流速为v = 56.17 m/s，经由公式(4-1)和(4-2)计算得到该喷嘴的打击力为F = 158.5 N。
(4-1)
(4-2)
式中，Q为喷嘴的出流量，A为喷嘴出口截面面积(D2 = 8 mm)，v为喷嘴的出流平均速度，ρ为水的密度。
图6为喷嘴轴向方向上的含水量曲线图。流体流出喷嘴后，在一定距离内急速空化，含水量快速降低，水柱内逐渐分散为不连续的多个小水柱，这是在带电水冲洗时水柱不导电的主要原因之一。因此，流体空化的速度是喷嘴在带电冲洗过程中需要重点关注的因素。
Figure 5. Axial velocity curve (R = 0)
图5. 轴向速度曲线图(R = 0)
Figure 6. Axial moisture content curve (R = 0)
图6. 轴向含水量曲线图(R = 0)
4.2. 有节流环(R = 0.5)
在其他边界条件不变的情况下，在喷嘴直段增加节流环，设置在锥形区域和直段区域交接的收缩点，即L3 = 0。图7和图8为喷嘴的速度云图。
液态水在经过节流环时，流速加快，最大速度达到103 m/s，经过节流环后，流速趋于平稳，喷嘴的出口截面处的平均流速为55.39 m/s。
图9为喷嘴轴向方向的压力曲线图。由图可知，对应流速的增加，在节流环位置的压力降低明显，最低压出现在节流环顶部，为−5.2 MPa，形成了较高的负压。
Figure 7. Axial velocity cloud map (R = 0.5 L3 = 0)
图7. 轴向速度云图(R = 0.5 L3 = 0)
Figure 8. Cloud chart of throttling ring cross section velocity (R = 0.5 L3 = 0)
图8. 节流环截面速度云图(R = 0.5 L3 = 0)
Figure 9. Axial pressure cloud diagram (R = 0.5 L3 = 0)
图9. 轴向压力云图(R = 0.5 L3 = 0)
5. 不同半径节流环对比分析
5.1. 节流环对喷嘴内部流域的影响
由于节流环的存在，喷嘴内部压力、最大流速和平均流速都会出现变化，图10为节流环对喷嘴内部流域最大负压的影响曲线图。
Figure 10. Maximum negative pressure inside the nozzle
图10. 喷嘴内部最大负压
图10显示，当R = 0时，最低压力在喷嘴直段形成，在直段的不同位置压力基本相同。当有节流环存在时，最低压力在R = 1.5，L3 = 10时达到最大值−7.3 MPa。但不是R值越大，最低压力就越低，当L3 = 15时，R = 1的压力值最低，因此可以认为在相同节流环半径的情况下，节流环设置的位置不同，最低压力值有明显变化。
图11显示，当节流环存在时，喷嘴内最大速度远大于R = 0的情况。在L3 = 0和L3 = 10，最大速度出现在R = 1.5时。当L3 = 15位置，最大速度出现在R = 1时，此结果与图10的最低压力值得到相互印证。
Figure 12. Average flow velocity at nozzle outlet
图12. 喷嘴出口处平均流速
图12显示，R = 0.5，L3 = 0时喷嘴出口处的平均流速仍然低于R = 0时的流速，但数值非常接近。对比图11的情况，R = 0.5，L3 = 0时喷嘴轴向速度大于R = 0时的轴向速度，但平均值却相反，说明当存在节流环时，轴向中间与壁面之间的速度差更大，更有利于水柱达到更远的有效打击距离。
Figure 13. Average flow velocity at the position of the throttle ring inside the nozzle
图13. 喷嘴内部节流环位置平均流速
图13显示，半径R值越大，节流环位置的平均速度越大，但在L3 = 15，R = 1.5时的节流环截面平均速度出现了意外的下降，反而小于R = 1时的平均速度。当节流环位置太接近出口时(距离7 mm)，受边界效应的影响，R值太大对喷嘴射流效果会产生较大影响。当喷嘴直径为8 mm时，节流环的半径R = 1时，各项参数都较为理想。
5.2. 节流环对流速的影响
图14为不同节流环尺寸对应喷嘴流域轴向速度曲线图。
当R = 0.5时，轴向中心线上最高速度差距较小，液态水从喷嘴流出后均有一个显著的快速速度下降过程，并逐渐趋于平稳，在距离出口0.5 m处，流速最快的是节流环设置在L3 = 0时的状态，即节流环与收缩点重叠的状态。
当R = 1时，L3越大，最高流速越快，但速度下降也越快。距离出口0.5 m处时，在有节流环的3种情况种，L3越大，流速越慢，流速最快的是R = 0的状态，即没有节流环的状态，流速差距明显。
(a) R = 0.5
(b) R = 1 (c) R = 1.5
Figure 14. Axial velocity curve
图14. 轴向速度曲线图
当R = 1.5时，最高流速出现在L3 = 10的时候，距离喷嘴出口0.5 m处时，最低流速出现在L3 = 15时。与R = 0的状态相比较，有节流环的3种状态流速有大幅度降低。
图14的结果表明，在直径为8 mm的锥形喷嘴内部，设置节流环将降低外流域液态水的流速，相当于将缩短水柱的有效打击距离。节流环半径R越大，流速下降快，节流环位置L3离收缩点越远，流速下降越快。将R = 0.5的节流环设置在L3 = 0状态时，各位置的流速与没有节流环R = 0时的状态最接近。
5.3. 节流环对含水量的影响
为了观察液态水从喷嘴喷出后的空化情况，选取从喷嘴出口0到距离出口0.5 m处为分析计算流域，即在图6的基础上截取Y坐标0~0.2范围内的曲线作为分析对象。图15为不同节流环尺寸对应喷嘴流域轴向含水量曲线图。
当R = 0.5时，空化速度最慢的为L3 = 0时，与此状态时流速最快得到了相互印证。其他3种情况差别不大。
当R = 1时，空化速度随着L3的增大而加快，L3 = 15时空化速度最快，即含水量下降最快，在距离喷嘴出口0.5 m处时，各种状态下含水量差距不明显。
(a) R = 0.5
(b) R = 1 (c) R = 1.5
Figure 15. Axial moisture content curve
图15. 轴向含水量曲线图
当R = 1.5，L3 = 15时空化速度最快，L3 = 0与R = 0在距离喷嘴出口0.5 m处的含水量没有明显的差异。
图15的结果表明，在轴向，液态水从喷嘴流出后会急速空化，水柱中水的体积分数会急速减小，即水柱中混入了大量空气，从而使水柱形成了不连续的多个小水柱，达到带电冲洗时绝缘的安全要求。节流环半径R值越大，水的体积分数下降越快，当R = 0.5，L3 = 0时，在距离喷嘴出口0.5 m处流速最快，含水量下降最慢。
5.4. 节流环对打击力与流量的影响
由于节流环的影响，喷嘴出口处的平均流速有相应的变化，由公式(4-1)和(4-2)可得到不同状态时的流量变化见表2。
由表2可知，当节流环半径R增大时，喷嘴流量整体呈下降趋势，当相同半径的节流环在不同位置时，流量变化并不明显。流量变化会同步带来喷嘴出口处打击力的变化见表3。
由表3可知，当节流环半径R增大时，打击力会随之明显降低，当R从1增大到1.5时，变化尤其明显，因此有理由认为一定大小的喷嘴直径存在一个节流环半径的极限值，当超过这个极限值以后，喷嘴各项性能将急速下降。
Table 3. The impact force of the nozzle
表3. 喷嘴的打击力
6. 结论
1) 通过在大口径圆锥形喷嘴直线段增加节流环的方式，可调节喷嘴出口的流速和含水量，为带电水冲洗过程中保持安全的水柱长度和足够的打击力提供了新的可行方案。
2) 通过改变节流环的半径和位置，直径为8 mm的喷嘴可获得多种不同的流量、打击力和含水量，在保障安全的前提上，可减少水的用量，同时可保障被冲洗目标不会受到过大打击力的冲击而损坏。
3) 一定大小的喷嘴直径存在一个节流环半径的极限值，当超过这个极限值以后，喷嘴各项性能将急速下降。如直径8 mm的喷嘴，最佳节流环半径不宜超过1 mm。
4) 通过对带电水冲洗喷嘴的特性分析，获得了固定直径喷嘴从入口到外流域0.5 m范围的相关性能参数，为喷嘴的优化选型提供了有效的理论基础。
NOTES
*第一作者。