高压水射流切割喷嘴的结构设计和参数优化数值模拟研究.docx

高压水射流切割喷嘴的结构设计和参数优化数值模拟研究
于洪陆庭侃
（河南理工大学能源科学与工程学院焦作河南454000）
摘要：文章应用FLUENT软件对喷嘴的内外部流场进行数值模拟研究，并对影响喷嘴出口速度和动压的四个主要结构参数进行正交试验，模拟研究结果得出适合用于切割的喷嘴结构和优化的结构参数，研究表明喷嘴的收缩角对喷嘴的性能影响最大，喷嘴出口水平过渡段也是一个重要的影响因素。
关键词：FLUENT；喷嘴结构；正交试验；参数优化
NumericalSimulationStudyonStructureDesignandParametersOptimizationofHighPressureWaterJetCuttingNozzle
YUHong,LUTingkan
(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,454000,China)
Abstracts:NumericalsimulationstudywascarriedoutontheinternalandexternalflowfieldofthenozzlewithFLUENTsoftwareinthepaper,andorthogonalexperimentwasdone,whichanalysisfourmainstructureparametersofnozzleimpactingonjetspeedanddynamicpressure.Thesimulationresultsshowsthatanozzle,whichsuitableforcutting,andthatthecontractionangleofnozzlehasanimportantimpactontheperformance,andtheleveltransitionsectionisalsoanimportantfactor.
Keywords：FLUENT，nozzlestructure，orthogonalexperiment,parametersoptimize
1引言
高压水射流技术是近二十年来发展起来的一门新技术，其应用日趋广泛。近年来，高压水射流在煤层钻孔和割缝方面正得到越来越多专家学者的关注。高压水射流基本原理是利用高压水发生设备产生高压水，通过喷嘴将压力能转变为高度聚集的水射流动能，可用这种射流对物料进行切割、破碎和清洗。喷嘴是高压水射流设备形成水射流工况的直接元件，喷嘴的好坏直接影响到切割效果，进而影响到系统的其它各个部分。在整个水射流设备中，由高压软管送过来的水经过喷嘴从高压低速转化为低压高速冲击物料表面，通过水射流的冲击作用、动压力作用、脉冲负荷引起的疲劳破坏作用以及水楔作用破坏物料，达到切割效果。因此对水射流喷嘴的分析研究极其重要[1-2]。
2喷嘴理论基础
泵的流量是固定的，泵排出的水一部分经过溢流阀回到水箱，一部分经过管线进入喷嘴形成高压水射流，为了达到切割的目的，必须使经过喷嘴小孔的流体具备一定的速度，这就要求泵必须具备一定的输入功率。当泵的压力和流量等参数确定以后，与之相匹配的喷嘴孔径就能确定下来[3]：

式中：-喷嘴小孔出口截面直径，mm；
-泵的流量，L/min；
-为流体的流量系数；
-为泵的额定压力，MPa。
3喷嘴结构及几何参数分析
喷嘴的主要结构参数有：喷嘴的收缩角、入口和出口过渡形状、锥形直线段L、出口直径d、出口段是否具有圆柱段。如果有圆柱段，圆柱段长度l与出口直径d的比值等。
目前，水射流切割或清洗工艺中常用的有两种基本的结构：一是圆形孔口型喷嘴，，另一是圆锥收敛型喷嘴。其内流道型线均为直线型，且多以平顶形喷嘴、锥形喷嘴和锥直型喷嘴居多，如图3-1所示。

(a)平顶型喷嘴(b)锥形喷嘴(c)锥直型喷嘴
图3-1喷嘴类型
为了获得最佳喷嘴几何结构，针对以上三种类型的喷嘴进行数值模拟研究。分别给出三种喷嘴模拟的几何参数如表3-1：
表3-1喷嘴模拟几何参数
喷嘴类型
几何参数平顶型喷嘴锥形喷嘴锥直型喷嘴喷嘴直径d/mm
收缩角/°
锥形直线段长度L/mm
喷嘴圆柱段长度l/mm2
—
—
142
13
14
—2
13
14
6
4喷嘴结构数值模拟
模拟软件采用ANSYS公司开发FLUENT，该软件设计基于CFD软件群的思想，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题[4]。
4.1控制方程
设单位质量流体的紊动动能为，的粘性耗损率为,为轴向速度，为径向速度，为流体的密度。采用应用较为广泛的-紊流模型．在轴对称柱坐标下，不可