扇贝剥离设备喷嘴内部流场的仿真分析与参数优化
基于ANSYS雾化喷嘴流场分析及参数优化
基于ANSYS雾化喷嘴流场分析及参数优化郝磊;高雄;陈铁英;王海超【摘要】Nozzle is the terminal of spray operations , is also one of core parts .Nozzle of the conical surface is the key part of flow velocity and pressure changes , nozzle entrance has a great influence on the nozzle outlet flow and speed .Using the ANSYS software to simulate the internal flow field in hydraulic atomizing nozzle and nozzle external atomized droplets distribution and velocity distribution of comparison and analysis the influence of different structural parameters on the noz -zle flow field , for the nozzle structure parameters of reasonable selection have provided the certain basis .%喷嘴是喷雾作业的终端件,也是核心部件之一. 喷嘴的锥形面处是流场速度和压力变化的关键部位,喷嘴入口对喷嘴出口流量和速度有很大影响. 为此,运用 ANSYS软件模拟了液力式雾化喷嘴的内部流场和喷嘴外部雾化场雾滴分布和速度分布情况,对比分析了不同结构参数对喷嘴流场的影响,为喷嘴结构参数的合理选择提供了一定的参考.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2016(038)008【总页数】5页(P19-23)【关键词】雾化场雾滴分布;喷嘴锥形面锥角;速度分布;参数优化【作者】郝磊;高雄;陈铁英;王海超【作者单位】内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特 010018;内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特 010018;内蒙古农牧业机械技术推广站,呼和浩特 010010;内蒙古农业大学机电工程学院,呼和浩特 010018【正文语种】中文【中图分类】S491近年来，为了彻底解决长期困扰我国北方地区冬季新鲜蔬菜供应问题，满足不同季节都有新鲜蔬菜水果供应，我国温室总面积达到了40万hm2[1]多。
基于SolidWorks和ANSYS的植保无人机喷头结构参数设计与仿真
文章编号：1673-887X(2023)08-0040-03基于SolidWorks 和ANSYS 的植保无人机喷头结构参数设计与仿真高伟（大同市农业机械发展中心，山西大同037000）摘要为优化植保无人机的喷头，利用SolidWorks 建立了四旋翼植保无人机的喷头模型，仿真分析了药液流动时喷头内壁所受压力大小与药液速度分布，利用ANSYS 软件分析喷头气液喷洒情况，确定了航高2~6m、喷幅3m 的条件下，切槽深度为2.53mm、喷孔直径为3mm、过心距为0.65mm 和切槽角度为42°，能够满足植保无人机作业要求。
关键词SolidWorks；ANSYS；植保无人机；设计与仿真中图分类号[S224.3]文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.08.013Design and Simulation of Sprinkler Structure Parametersof Plant Protection UAV Based on SolidWorks and ANSYSGao Wei(Datong Agricultural Machinery Development Center,Datong 037000,Shanxi,China)Abstract ：In order to optimize the sprinkler head of the plant protection drone,the sprinkler head model of the four-rotor plant pro ‐tection drone was established by using SolidWorks.The pressure on the inner wall of the sprinkler head and the distribution of the liq ‐uid speed were simulated and analyzed.The gas-liquid spraying situation of the sprinkler head was analyzed by using ANSYS soft ‐ware,and the flying height was 2~6m and the spray width was 3m.The grooving depth is 2.53mm,the diameter of the jet hole is 3mm,the centroid distance is 0.65mm and the grooving Angle is 42°,which can meet the operation requirements of the plant protec ‐tion UAV.Key words ：SolidWorks,ANSYS,plant protection drone,design and simulation农业作为第一产业，是人们生活生存的基础，保障了我国社会经济的稳步发展。
基于COMSOL液压节流阀内部流场数值模拟研究
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ａ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｎｄ ａ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｘ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ ２ １ １ １ ６ ； ２ ．Ｔ ｈ ｅ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ， Ｚ ｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ３ １ ０ ０ ２ ７ ）
ｓ ｕ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｌ ｓ ｏ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ．Ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗ ｐ ａ ｓ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｉ ｉ ｆ ｃ ｅ ，ｉ ｔ ｗ ｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｄ ｅ ｄ ｇ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ
ｔ ｈ ｒ ｏ ａ ｌ ｅ ｖ ａ ｌ ｖ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｐ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｓ． Ｔ ｈ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ，ｆ ｌ ｏ ｗ ｒ ａ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｄ ｒ ｏ ｐ ｉ ｎ ｔ ｈ ｒ ｏ ｔ ｔ ｌ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ
ＰＤＣ_钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究
２０２３年第５２卷第５期第２６页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（５）：２６ ３２文章编号：１００１ ３４８２（２０２３）０５ ００２６ ０７犘犇犆钻头旋转喷嘴流场特征仿真研究李文飞１，杨焕龙２，刘 松２（１．山东石油化工学院，山东东营２５７０００；２．胜利石油工程公司海洋钻井公司，山东东营２５７０００）摘要：ＰＤＣ钻头的固定式喷嘴对于改善钻头井底流场、抑制漩涡区的发展、防止钻头泥包等方面的作用有限。
建立具有旋转喷嘴的ＰＤＣ钻头的数值仿真模型，分析旋转喷嘴数量、喷嘴自转速度、钻头转速对ＰＤＣ钻头井底漩涡场的影响规律。
结果表明：旋转喷嘴较固定式喷嘴能够有效抑制钻头井底漩涡场的发展；随着旋转喷嘴数量的增加，钻头井底漩涡区面积占比是减小的；随着旋转喷嘴自转速度的增加，钻头井底漩涡区面积占比呈先减小后增加的趋势，存在最优的喷嘴转速值；钻头转速对于旋转喷嘴条件下ＰＤＣ钻头的井底漩涡场影响较小。
关键词：ＰＤＣ钻头；旋转喷嘴；井底；漩涡场；数值模拟中图分类号：ＴＥ９２１．１０２ 文献标识码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ３４８２．２０２３．０５．００４犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犚狅狋犪狉狔犖狅狕狕犾犲犉犾狅狑犉犻犲犾犱狅犳犘犇犆犅犻狋狊ＬＩＷｅｎｆｅｉ１，ＹＡＮＧＨｕａｎｌｏｎｇ２，ＬＩＵＳｏｎｇ２（１．犛犺犪狀犱狅狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿犪狀犱犆犺犲犿犻犮犪犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犇狅狀犵狔犻狀犵２５７０００，犆犺犻狀犪；２．犗犳犳狊犺狅狉犲犇狉犻犾犾犻狀犵犆狅犿狆犪狀狔，犛犺犲狀犵犾犻犘犲狋狉狅犾犲狌犿犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犆狅犿狆犪狀狔，犇狅狀犵狔犻狀犵２５７０００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｉｘｅｄｎｏｚｚｌｅｈａｓｌｉｍｉｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｂｉｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄ，ｒｅｓｔｒａｉ ｎｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖｏｒｔｅｘａｒｅａ，ａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｂｉｔｂａｌｌｉｎｇ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｂｉｔａｎｄｔｈｅｒｏｔａｒｙｎｏｚｚｌｅｗａｓｂｕｉｌｔ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｎｕｍｂｅｒ，ｓｅｌｆ ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，ａｎｄｂｉｔｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｒｙｎｏｚｚｌｅａｂｏｕｔｂｉｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｆｉｘｅｄｎｏｚｚｌｅ，ｔｈｅｒｏｔａｒｙｎｏｚｚｌｅｃａｎｒｅｓｔｒａｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｉｔｖｏｒｔｅｘａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｂｉｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｏｔａｒｙｎｏｚｚｌｅｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｂｉｔｖｏｒｔｅｘａｒｅａｄｅｃｒｅａ ｓｅｓ，ａｎｄｗｉｔｈｓｅｌｆ ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｂｉｔｖｏｒｔｅｘａｒｅａｄｅｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄａｎｏｐｔｉｍａｌｒａｎｇｅｅｘｉｓｔｓ．Ｔｈｅｂｉｔｒｏｔａｒｙｓｐｅｅｄｈａｓｌｅｓｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｂｉｔｖｏｒｔｅｘａｒｅａ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ＰＤＣｂｉｔ；ｒｏｔａｒｙｎｏｚｚｌｅ；ｂｏｔｔｏｍｈｏｌｅ；ｖｏｒｔｅｘ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 喷嘴（水眼）是ＰＤＣ钻头的重要组成部分之一，承担清洗、冷却、辅助破岩等作用。
螺旋桨流场数值模拟与优化设计
螺旋桨流场数值模拟与优化设计螺旋桨是一种重要的船舶推进装置，它的设计和优化对于船舶的性能和效率具有关键作用。
而螺旋桨的性能与其流场密切相关。
为了更好地理解和优化螺旋桨的流场特性，数值模拟成为了一种重要的研究手段。
数值模拟是通过计算机模拟物理或工程现象的数学模型，以获取结果并推导出相应的结论。
在螺旋桨的数值模拟中，常用的方法是计算流体力学（CFD）方法。
CFD方法通过将流体划分成离散的计算单元，并运用守恒方程、流体运动方程和边界条件等基本原理，求解流体的速度、压力和其他相关参数。
首先，通过数值模拟可以获得螺旋桨的流场分布情况。
在数值模拟中，可以设定不同的边界条件和螺旋桨的几何参数，然后求解流场中的速度和压力分布。
通过分析螺旋桨周围的流场，可以了解到绕螺旋桨旋转的流体是如何受到螺旋桨叶片影响的。
这对于螺旋桨的设计和优化有着重要的参考价值。
其次，数值模拟还可以研究螺旋桨的性能参数，如推力、效率等。
在数值模拟中，可以计算螺旋桨叶片的力学特性，进而推导出螺旋桨的推力和效率。
通过改变螺旋桨的几何参数和边界条件，可以优化螺旋桨的设计，以达到更好的推进效果和节能效果。
此外，数值模拟还可以用于研究螺旋桨的噪声和振动特性。
对于大型船舶而言，螺旋桨的噪声和振动是非常重要的问题。
通过数值模拟可以预测和分析螺旋桨产生的噪声和振动，并寻找相应的改进方案。
这不仅可以提高船舶的运行安全性，还能减少对水生生物的干扰。
在数值模拟中，还可以考虑其他因素对螺旋桨性能的影响，如流体的黏性、湍流等。
这些因素都会对螺旋桨的流场分布和性能参数产生影响，因此在模拟中需要进行相应的考虑和分析。
此外，数值模拟还可以结合实验数据和现场观测结果，进行验证和修正，以提高模拟的准确性和可靠性。
总结而言，螺旋桨的流场数值模拟与优化设计在船舶工程领域中具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以深入研究螺旋桨的流场特性，优化螺旋桨的设计和性能参数，并研究螺旋桨的噪声和振动特性。
喷嘴的仿真分析
图 1 喷嘴的二维模型及有限元模型（边界进行加膨胀层） 在 FLUENT 中设定入口边界条件为速度入口边界，大小为 30m/s；出口边界条件为压力 出口边界；选择k-ε二方程的湍流模型。经过仿真计算结果如图 2 所示。
a 压力云图 图 2 喷嘴的仿真计算结果
b 速度矢量图
由计算结果可以得出，在喷嘴的出口处，由于尺寸变化过大，使得压力分布不均匀，出 口的左右两侧出现空气回流现象， 提升了喷雾器的啸叫声。 为了降低这一现象对喷雾器整机 噪声的贡献值，提出了两种改进方案。 1. 方案一：降低喷嘴出口处的倾斜角。修改后的二维模型模型及有限元模型（边界进行加膨胀层） 在 FLUENT 中设定相同的参数后，得到的计算结果如图 8 所示。
a 压力云图 b 速度矢量图 图 8 喷嘴（加喷头）的仿真计算结果 可以看出，经过喷头压力损失较大，而且产生了涡流，引发了涡流噪声，提升了整机的 啸叫声。 为了避免这种因形状突变造成的流动分离和气流涡旋现象， 对突变的部分进行圆角 处理是很有必要。修改后的二维模型和有限元模型如图 9 所示。
图 5 方案一：喷嘴的二维模型及有限元模型（边界进行加膨胀层） 在 FLUENT 中设定相同的参数后，得到的计算结果如图 6 所示。
风刀结构内部流场的仿真分析及结构优化设计
流方向和速度非常不均匀，中部气流速度过快，边部气流 速度过小，最快速度和最慢速度差值较大，一定程度上影 响了精加工产品表面质量。此外，气流在高速流经风刀后 还可能会造成风刀本身的颤振，更进一步影响流场的均匀 和稳定性W
鉴于此，本文针对某工厂风刀本体和气体模型进行参 数化建模，利用Hypermesh和Fluen傲件对风刀内部气流进 行数值仿真，得到流场的分布规律，同时对风刀内部导流 板、回风槽的结构以及尺寸进行了优化设计，从而有效地 减少了风刀出风口气流不均匀的问题。
的分布规律，发现风刀内部导流板对风刀内部的流场影响很大。经过优化设计，发现只有一个导流板时，风刀内部的
流场变得较为均匀，当导流板靠近风刀前段时，风刀内部流场较为均匀，且风口速度较大。对不同结构形式的风刀进
行模型设计与分析，确定了最优设计方案。总结的设计方法可为研究和设计风刀结构提供技术和理论上的指导。
风刀是目前工业产品深加工和精加工中采用的重要设 备21,广泛应用于汽车、电子、化学、金属加工、包装及 造纸印刷等各种行业，主要用于各表面工程领域，如除尘 干燥、预热、镀层等工艺。风刀在实际使用过程中通常难 以控制，为保证风刀出口处气流及气压均匀稳定，通常要 在风刀内部添加导流板机构。风刀内部的流场稳定性，气 体流量大小以及风刀出风口处风速的均匀性是衡量风刀质 量的几个重要指标4%
式中：Ux, Uy, U2----空间坐标系X、y、Z方向的速度分量;
t---- 时间变量；
P 流体密度。
流体在流动过程中，还需满足动量方程，各方向的动
量方程如式（2）所示:
9
+V
3r
勿 \lz
-
apax
drxx %
高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析的开题报告
高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析的开题报告1. 研究背景和意义高压水射流是一种应用广泛的工业加工工艺，具有高效、环保、灵活等优点，被广泛应用于机械加工、清洗、除锈等领域。
而高压水射流喷嘴的设计和优化是影响高压水射流加工效果和成本的重要因素。
扇形喷嘴是一种常用的高压水射流喷嘴，它的喷射效果受到内外流场的影响。
因此，对扇形喷嘴内外流场进行仿真分析，可以深入了解喷嘴结构和参数对喷射效果的影响规律，为喷嘴的设计和优化提供科学依据。
同时，该研究还可为工业应用提供技术支持和参考。
2. 研究内容和方法本文将主要研究高压水射流扇形喷嘴内外流场的特点和规律，具体包括以下内容：（1）建立高压水射流扇形喷嘴的数值模型和物理模型，确定仿真所需的边界条件和材料参数；（2）利用计算流体力学（CFD）软件对扇形喷嘴内外流场进行数值模拟，分析流场的速度、压力、温度等特性；（3）通过比较不同喷嘴结构和参数的流场仿真结果，分析它们对高压水射流喷射效果的影响规律；（4）对仿真结果进行验证和分析，得出高压水射流扇形喷嘴内外流场的特点和优化方向。
3. 研究预期目标本文的研究预期目标如下：（1）建立高精度的数值模型和物理模型，可以对高压水射流扇形喷嘴内外流场进行准确且快速的仿真分析；（2）深入分析扇形喷嘴内外流场的特点和规律，揭示喷嘴结构和参数对喷射效果的影响机制；（3）确定优化高压水射流扇形喷嘴结构和参数的方向和方法，为实现高效、环保、灵活的高压水射流加工提供科学依据和技术支持。
4. 研究贡献本文的研究贡献主要包括以下方面：（1）深入了解高压水射流扇形喷嘴内外流场的特点和规律，对喷嘴优化和设计提供科学依据和技术支持；（2）利用CFD软件对高压水射流流场进行数值模拟，为仿真分析提供了一种准确、可靠的方法；（3）通过对高压水射流扇形喷嘴内外流场的仿真分析，提出了优化喷嘴结构和参数的方向和方法，为高压水射流加工的应用提供了技术支持。
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Numerical Analysis of Water Jet Processing Nozzles’ Internal Flow Field
WANG Jia-zhong, LI Qiu-shi, YI Jing-gang, JIANG Hai-yong, LIU Jiang-tao (Mechanic and Electronics College, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001, China)
在本文中采用市售窄角扇形喷嘴参数进行仿真优
注：G k-为由于平均速度梯度引起的湍动能；Gb-为由于浮 力引起的湍动能； C1 , C 2 -常量，FLUENT 默认为 1.44,1.92,
C 3 -主流方向同重力方向垂直时，有 C3 0 ； k , -k 方程
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现代食品科技
扇贝是一种营养成分极高的海产品。扇贝虽然味 美，经济价值极高，但由于其生理构造的特殊性，很 难打开和剥离，给机械加工带来种种不便，于是人们 开始利用超高压、 热震等方法来获取贝柱[1~2]， 但加工 效果并不尽如人意。 本文采用水射流技术来进行扇贝加工，利用纯水 通过高压发生设备和特定形状的喷嘴产生高速射流来 进行扇贝闭壳肌的剥离和加工。由于其极高的流速使 得水射流具有足够的能量来对材料进行清洗、剥层、 切割，并且在其加工的过程中不损伤其他材料。与此 同时，水射流技术在医药生物技术上也有诸多应用， 利用水射流技术制成的水刀可用来进行外科手术，可 针对病灶部位进行清除，同时降低出血量和减少手术 时间[3~4]。查阅文献和实验表明，利用窄角扇形喷嘴
图 2 为窄角扇形喷嘴内部结构的物理模型。假设 窄角扇形喷嘴内部介质为不可压缩纯水。工作状态液 流从窄角扇形喷嘴右端流入，经由收缩段后由左端喷 出。在此工作过程中，液流在喷嘴内部做湍流流动。 窄角扇形喷嘴的主要参数包括： 喷嘴入口直径 D、 喷嘴出口直径 d、出口长度 s 、喷嘴锥角 φ。当 s、d、 φ 均确定时，喷嘴入口直径 D 也可确定。同时当射流 压力，射流角度一定时，喷嘴喷射液流对物体的打击 性能由喷嘴射流截面积和流速决定。故在本文中仅考 虑喷嘴锥角 φ、 喷嘴出口长度 s、 以及出口直径 d 对流 速的影响。 由于计算流体力学分析第一步也是最重要的一步 是将计算区域离散化，即对分析对象连续的控制方程 进行离散处理，将描述流动的偏微分方程转化为节点 上的代数方程组[8]。这也就是我们通常所说的划分网 格。 在本文中将利用前处理软件 ICEM CFD 进行窄角 扇形喷嘴非结构化网格的划分。在处理窄角扇形喷嘴 模型网格时，网格单元采用 2-D 单元模型，网型为 Quad-dominated（四边形占优）网格形式，划分尺寸 为 0.05，划分后总共生成 17968 个网格。 在计算该流体模型时，采用非耦合式求解器，选 取标准 k 湍流模型模型，喷嘴内部流场为单一相 流，主相为液态纯水。该模型的相变、传热等均忽略 不计。 在该模型中射流入口速度为 v=Q/A， 其中 Q=60 L/min。 射流出口的相对静压为零。 射流及其出口周围 的介质均为水，常温(20 ℃)下其密度为 1000 kg/m3， 运动粘度为 1.003× 10-6 m2 /s。
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Modern Food S cience and Technology
2014, Vol.30, No.1
扇贝剥离设备喷嘴内部流场的仿真分析与参数优化
王家忠，李秋实，弋景刚，姜海勇，刘江涛 (河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001)
摘要：本课题依托国家海洋公益性行业科技专项。由于采用水射流技术进行扇贝剥离加工有加工质量好；闭壳肌剥离完整；清 洁卫生；加工原料易获得等诸多优点， 故利用水射流技术对海湾扇贝闭壳肌剥离进行研究分析， 以期得出一种新型的扇贝闭壳肌加工 模式。 由于喷嘴为该剥离设备的关键部件， 而喷嘴参数变化会对流场速度分布产生影响。因此本文利用扇贝剥离加工的窄角扇形喷嘴 内部流场的二维数学模型，将加工用窄角扇形喷嘴网格模型用 quad-dominated（四边形占优）形式进行划分。并通过 FLUENT 流体 计算软件，采用标准 κ-ε 湍流模型对窄角扇形喷嘴内部流场进行了仿真，通过分析喷嘴锥角、出口直径、出口长度等变化对出口处流 场速度分布影响，得出适用于水射流加工扇贝的喷嘴的最优参数组合。 关键词： 水射流；窄角扇形喷嘴；内部流场；仿真分析；参数优化 文章篇号：1673-9078(2014)1-143-146
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化，经测量得其喷嘴出口长度 s 为 6 mm，出口直径 d 为 1 mm。锥角为 120° 。以该参数为基准，当锥角变 化时其入口直径随锥角变化如表 1 所示：
表 1 喷嘴锥角 φ 与入口直径（mm）关系 Table1 Relationship between nozzle inlet diameter and the cone angle 锥角 直径 40° 3.18 60° 4.46 80° 6.03 100° 7.88
C
k2
其中 C 为常量，实验中，选取C 为 0.09[7]。
2 喷嘴物理模型与网格划分
图 1 窄角扇形喷嘴纯水喷射图 Fig.1 Injection scheme of narrow-fan-nozzle
本文利用 FLUENT 仿真软件， 对本实验的扇贝加 工所用喷嘴内部流场进行数值模拟，以其内部流场状 态和出口处水射流射出速度分布为研究目标，确定喷 嘴参数对其影响，并优化喷嘴结构，最后通过实验验 证仿真结果，以期得选取标准的 k 方程模型，标准方程 k 模型的湍动能 k 和 耗散率 方程如下： （1）k 方程
( k ) ( kui ) t xi x j Gk Gb YM S k
（2） 方程
( ) ( u i ) t xi x j C1
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2014, Vol.30, No.1
（3）适合需要均匀高打击力的应用。
和 ε 方程的湍流 prandtl 数，实验中，选取 k , 分别为 1.0 和 1.3；S k , S , YM -当流动为不可压时均为 0。湍流速度 由下式 确定
u v w 0 t x y z u u u u 1 p u v w fx t x y z x v v v v 1 p u v w fy t x y z y w w w w 1 w u v w fz t x y z x
t k
k x j
t
k x j
k
(Gk C 3 Gb ) C 2
2
k
S
3 FLUENT 数值模拟结果 3.1 喷嘴锥角 φ 对流速的影响
Abstract: The subject relies on “The National Marine Public Industry Science And Technology Project ”. Water jet technology for scallops shelling processing has many advantages: high processing quality; sanitary and safety; material is easy to obtain. Research on the bay scallop in adductor muscle processing was to obtain a new type of scallop in shell adductor muscle processing mode, and water jet on scallop processing was discussed. The nozzle is critical component in shelling equipment, and nozzle parameters would affect the flow velocity distribution. Based on 2-D flow mathematical model, quad-dominated grid was divided. The narrow-angle fan nozzle’s internal flow field was simulated by standard turbulence model. The influence on nozzle velocity distribution such as cone angle, outlet diameter, outlet length were analyzed. After comprehensive analysis, the optimal parameter combination of the nozzle for water jet processing were obtained. Key words: water jet; narrow-angle fan nozzle; internal flow field; simulation analysis; nozzle parameter optimization
收稿日期：2013-09-02 基金项目：国家海洋公益性行业科技专项(201205031)；河北省科技支撑项 目(10221013，12271008D) 作者简介：王家忠（1970-），男，博士，研究方向：特种加工
喷射出的具有一定均匀压力的水流对新鲜扇贝组织进 行冲击，利用各组织之间的附着力不同而将扇贝闭壳 肌以及周围的包裹着的脏器从贝壳上分别剥离下来， 从而达到将扇贝各部分精确分离的目的。同时水射流 扇贝剥离中所用的加工介质为水，十分容易获取，设 备投入少。 喷嘴是形成水射流的直接元件，它的性能直接影 响水射流的穿透性能[5]。因此，研究喷嘴的喷射特性 对提高水射流加工系统的加工性能至关重要。窄角扇 形喷嘴为异型喷嘴，喷嘴内的液流经过喷嘴前端的导 向板表面形成扇形射流。射流经过导向板后基本没有 扩散[6]。 实验表明，窄角扇形喷嘴符合加工要求，故在本 文中，扇贝闭壳肌加工采用窄角扇形喷嘴。经实验研 究发现窄角扇形喷嘴具有以下优点： （1）能产生具有一定冲击力的扁平扇形喷雾； （2） 喷雾分布均匀， 液滴大小中等边界界定十分 清楚；