高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析
高压水射流喷嘴的设计及其结构优化
高压水射流喷嘴的设计及其结构优化针对于水射流切割系统而言，关键的设备之一就是喷嘴，严重影响射流内部流场和水射流动力学性能。
通过分析和研究传统直线类型喷嘴，改进喷嘴流道结构，将既具有过渡段和平直段又具有收缩段的流线型喷嘴设计出来。
标签：高压；水射流喷嘴；设计；结构前言：无论对射流流场分布，还是水射流力学性，喷嘴都具有至关重要的影响。
喷嘴结构好能够将水射流加工的精度和效率有效地提升。
喷嘴内部水射流运动的速度也非常快，因此，嚴重磨损喷嘴的结构[1]。
怎样设计出既能够满足加工效率和精率又耐用的喷嘴结构，是当前国内外学者研究和分析的重要课题。
一、设计高压水射流喷嘴（一）水射流结构和机理1.水射流的结构。
射流就是流体通过小孔或者狭缝流动的一种现象。
水射流结构图见图1所示。
图1中分为初始段、基本段、转折段以及消散段四个段。
射流初始段，射流离开喷嘴，虽然就会由于与环境介质能量的转换，而有扩散和紊动剧烈地发生，但是，射流速度并没有改变，而且射流轴线方向上的动压力值和密度，都是保持不改变的。
基本段，射流轴向速度值和动压力值都在渐渐地且有规律地减小，在与轴线断面上垂直时，无论是射流的轴向速度值，还是动压力值，分布都是呈高斯曲线。
转折段，由于射流方向和大小都会有一个突变，所以称此段为“转折段”。
消散段，也是射流最后的一段，射流与射出环境介质在该段中已经完全融合，射流轴向速度和动力值这时都非常小。
结合不同需求来利用不同段的射流，致使射流的最大能量转换率和使用率能够有效地实现[2]。
2.水射流的机理。
水射流就是通过一系统或者一个小孔，将一定静压水喷射成水流且形成细小流线束，致使这种细小流线束既具有较高动压，又具有较高流速。
根据不同标准，水射流分类也不同。
根据驱动压力分：可以分为超高压水射流、高压水射流、中压水射流以及低压水射流。
该文水射流压为选用的是200Mpa，属于超高压水切割。
根据环境介质分：可以分为淹没式式射流和非淹没式射流。
高压水射流的CFD仿真及分析
相的容积比率：
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1”）+ !·（
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-
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p + ·［ （
""
1”+
1”T ）］+
g”+ F 射流流场处于高湍流状态，所以采用广泛应用的
标准 k - 方程模型，湍流动能方程 k 和耗散方程 ：
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k）+ !（ !xi
kui
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Gk
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Gb
关键词：高压水射流；多相流；淹没流与非淹没流；数值模拟 中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1001 - 3881（2006）2 - 103 - 3
A Study of High Pressure Waterjet Characteristics by CFD Simulation
CHEN Chun，NIE SongIin，WU Zhengjiang，LI Zhuangyun （ MechanicaI Department，Huazhong University of Science & TechnoIogy，Wuhan Hubei 430074，China）
大会引起喷嘴进出口
的压力不相等，圆锥
型很好地避免了这一
问题。
图 6 淹没流中不同喷嘴比较
2. 3 淹没与非淹没流下磨料的流动特性
采用 !" 分别为 0. lmm、0. l5mm、0. 25mm 的磨 料颗粒分别以 800m / s 出口速度由圆锥型喷嘴进行淹
没与非淹没射流，#" 为颗粒速度，#"0 为颗粒喷嘴出口 处的速度。由图 7 可知在由喷嘴混合腔中到喷嘴出口
基于FLUENT的非淹没式纯水射流喷嘴内部流场仿真
提高水射流效率及降低能耗的目的 。
然而， 有关水喷嘴内部流场， 尤其是混合室和混合 管内部流场特性的仿真研究少有报道。 本文用 Flunet 仿真了水喷嘴内部流场， 混合室与混合管内部流场， 以 及收敛角对流场的影响， 并进行了相关的实验验证。 假设高压水中不含空气， 在水射流的喷射过程中， 根据水喷嘴的结构特点， 可以假设它的内部一直充满 水； 而混合室与混合管的直径相比射流直径要大得多 ， 并且在初始状态充满空气， 所以在整个射流过程中， 它 们内部既有水也存在空气。 根据以上分析， 把喷嘴分 为两个部分进行仿真： 水喷嘴单相流稳态仿真和混合 室与混合管的多相流瞬态仿真。
［6 ］
vj ' =
W 2 πr0 t
（ 2）
r0 = 4 × 10 － 5 m， W 为水的体积， m3 。 式中， 将仿真值与实验值进行比较， 如表 1 所示， 可以看 出， 仿真值与实验值之间存在差异， 可能的原因： 一方 面是实际的水喷嘴内壁不够光滑， 导致了射流能量的 损失； 另一方面是仿真模型的网格数量较少 ， 网格尺寸 较大。尽管如此， 实验测得的射流速度与仿真模型预 测值的平均误差是 7. 9% ， 最大误差为 16% ， 而且预测 该仿真过程能 的射流速度的变化规律和实测值相似， 较好地预测射流速度。
1
水喷嘴内部流场仿真及实验验证
喷嘴是影响磨料水射流切割性能的关键的部分之 一， 其中水喷嘴对射流速度影响很大 ， 因此仿真分析水 喷嘴内部流场状态十分必要。 1 ． 1 仿真模型的建立与计算 Fluent 是目前 比 较 流 行 的 一 种 流 体 力 学 分 析 软 ， 本文用该软件分析了 14 种入口压力水平下的流 场状态。以入口压力为 10 MPa 为例， 进行水喷嘴内部 件 的纯水三维稳态仿真。模型几何尺寸均为水喷嘴的实 际尺寸， 其中锥段处上表面和下表面的直径分 别 为 3. 5 mm 和 3. 1 mm， 高度为 2. 1 mm； 下端圆柱半径 r0 为 0. 04 mm， 高度为 0. 4 mm； 水为不可压缩液体， 密度 ρ w 为 10 kg / m ； 由于水喷嘴内部的流场呈轴对称分 布， 在划分网格和求解计算时， 把整个模型沿着对称面 进行切割， 只对其 1 /4 进行仿真， 如图 2 所示。共划分 28 200 个六边形网格， 中心部分加密。
基于FLUENT的非淹没式纯水射流喷嘴内部流场仿真
磨料 水射 流动力 特性 和加工性 能 的主要 因素 之一 。尤
其在 加工 系统基本 参 数 一定 的情 况 下 ， 改变 喷 嘴 的 内 部形 状和尺 寸是 调整 和 优化 射 流 结 构 、 增大 磨 料 颗 粒
然而 ， 有关 水喷 嘴 内部 流场 ， 尤其是 混合 室和混合 管 内部 流场 特性 的仿真 研究 少 有 报道 。本 文用 Ｆｕ ｅ ｌｎ ｔ
广 泛 的应 用 ¨ 。
混 合 管
出 口
Ｉ． ｒ ．． ． Ｊ ． ． ．锥 ． ．． ＿
喷嘴结 构基 本分 为 ３个 部分 ： 水喷 嘴 、 混合 室 和混 合管 ， 图 １ 如 所示 。喷 嘴 内部几 何 形 状 和 尺寸 是 影 响
段
图 １ 纯 水 射 流 示意 图
Ａｂ ｔａ ｔ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｉ ｌ ｔ ｎ ｍｏ ｅ ｏ ｈ ｎ ｅ ｎ ｌ ｏ ｅｄ ｆ ｏｉ ｃ ，ｍｉ ｉｇ ｃ ａ ｅ ｎ ｈ ｘｎ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｈ ｓ ａ ｅ ，ａ ｓｍｕ ａｉ ｄ ｌ ｆｔ ｅ ｉ ｔｒ ａ ｗ ｆ ｌ ｓ ｏ ｒ ｅ ｏ ｌ ｆ ｉ ｉ ｆ ｘｎ ｈ ｍｂ ｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｍｉ ｉｇ
用于高压无气喷涂原子灰的扇形喷嘴r内部流场的数值仿真
用于高压无气喷涂原子灰的扇形喷嘴r内部流场的数值仿真孙禹;赵民;夏海渤;李国军【摘要】利用计算流体软件ANSYS Fluent构建固瑞克645扇形喷嘴三维有限元模型,然后用Laminar层流模型对高压无气喷涂原子灰扇形喷嘴内的压力、速度流场以及入口压力对压力、速度流场和出口流量的影响进行数值模拟.结果表明:压力和速度场云图呈层状分布、梯度变化;在喷嘴的锥形前段和圆柱部分,压力和速度随距离的变化平缓;在圆锥向圆柱过渡段和出口段压力和速度变化剧烈;总体来看,入口压力越大,出口速度和流量越大;在出口段,入口压力对压力流场和速度流场影响尤为明显.根据结果综合分析,入口压力在15～20 MPa比较合理.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】5页(P42-46)【关键词】Fluent软件;扇形喷嘴;内部流场;出口流量;Laminar模型【作者】孙禹;赵民;夏海渤;李国军【作者单位】中车集团青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛,266111;中车集团青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛,266111;中车集团青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛,266111;大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连116028【正文语种】中文0 引言原子灰(不饱和聚酯腻子)涂层是保证轨道车辆整体外皮涂装必不可少的一道工序.目前，车体原子灰涂层均采用人工刮涂，施工工艺周期较长，人工的劳动量大，原材料浪费多，涂层质量不能保证.为了克服人工施工的弊端，开展轨道车辆外皮原子灰自动喷涂技术研究是必要的.然而原子灰自动喷涂技术在国内外轨道车辆领域尚无应用实例，用于满足轨道车辆车体的原子灰自动喷涂技术正处于开发和摸索阶段. 为了保证轨道车体焊接打磨后平整度的要求，原子灰层厚度应在1.5 mm 以上.由于原子灰粘度很大，若要实现自动喷涂，只能采用适用于高粘度的、大面积喷涂效率高的、一次涂膜厚的高压无气喷涂技术[1] .其工作原理是将原子灰加压至10～30 MPa，然后经喷嘴减压、高速雾化，从而达到涂覆的目的.因而喷嘴作为关键的执行元件，其结构参数直接关系到原子灰在喷嘴内部的流场，进而影响原子灰涂层质量的好坏[2] .而原子灰在喷嘴内外部的流场的数据由于受到喷嘴结构、流场扰动、测量精度的限制，很难用实验方法得到，所以用数值仿真模拟高压无气喷嘴内部流场是一种可行的办法[3] .本文以固瑞克645扇形喷嘴为仿真对象，运用ANSYS Fluent 软件，对喷嘴内部流场进行三维数值模拟.以喷嘴内部流场及出口流量为目标，研究不同入口压力下对喷嘴内压力、速度流场的变化和流量的影响，为实际喷涂提供必要的数据参考 .1 物理模型的建立1.1 扇形喷嘴内腔结构及几何参数固瑞克645锥形扇形喷嘴的3D模型及内腔结构如图1所示.由图1可知，喷嘴的内腔结构可分为锥形段，圆柱形段和V形半圆出口段.入口直径D为3.0 mm，入长度K为8.0 mm，收敛角β为6.63°；圆柱段的直径d为1.14 mm、长度L为2.5mm；V 形出口的切槽半角α为30°，半径r为0.57 mm.图1 固瑞克645轴向扇形喷嘴的3D模型及内腔结构2 数值模拟与仿真分析2.1 数学模型流体在管道内流动具有层流与湍流两种状态.根据雷诺公式:Re=ρυd/μ(1)其中,υ、ρ、 d、μ分别为流体的流速、密度、直径与动力粘度.当雷诺系数Re<2 300时，为层流状态，Re=2 300～4 000为过渡状态，Re>4 000为湍流状态，Re>10 000为完全湍流状态(实践中Re>3 000即可判断为湍流).本研究中原子灰的ρ为1 700 kg/m3，μ为0.51 kg/(m·s)， v假定10 m/s，由雷诺数计算公式可知其雷诺数低于2 300，喷嘴内部的流动状态为不可压缩稳态层流流动，故选用三维Navier-Stokes方程作为控制方程，并采用Laminar层流模型建立封闭控制方程组[4].(1)质量守恒方程(2)其中，u、v、w分别表示速度矢量在x、y 和z方向的分量.(2)动量守恒方程(Navier～Stokes方程)(3)其中, p 为射流压力；ρ为密度；μ为动力黏度；S为动量守恒方程的广义源项 . 2.2 网格划分与边界条件的设置首先将SolidWorks创建的喷嘴结构几何图形导入ANSYS/ICEM CFD中，定义入口、出口，内壁等边界后，对其进行非结构化四面体网格划分，得到如图2所示3D喷嘴; 然后将划分好的网格导入Fluent进行数值模拟.选用3D求解器，Simplec算法对流体压力和速度进行耦合，压力的插值选择Standard.为提高求解精度和降低扩散误差，采用二阶迎风离散格式[5]对控制方程进行数值求解，收敛条件设置为10-4，迭代600步计算完成.喷嘴内部流场的入口和出口均采用压力边界条件，入口压力为10～25 MPa，出口静压力为0，即大气压.假定紧贴内壁面的流体保持静止，故在壁面上无滑移，所有的速度分量均设置为零.图2 固瑞克645喷嘴的3D图形3 流场仿真结果与分析3.1 入口压力对喷嘴内部压力场分布的影响图3为不同入口压力下，喷嘴内部压力场分布云图 .可以看出，压力在轴向呈明显的层状分布，是典型的层流特征 .随着距离增加，直径减少，压力梯度变化加快，云层由大变小，由厚变薄，尤其圆锥向圆柱过度阶段；在圆柱阶段，压力梯度变化减缓，并在接近出口处压力云图呈月牙形；在V型出口段，压力云层最薄，压力变化最快 .从图中可以看出，不同入口压力云图的明显区别在于出口处月牙形压力云图的变化.随着压力增加，月牙形云图变小、变薄，导致楔形出口弧形内壁相对压力增加，过大的压力会造成从出口处磨耗增加，使喷嘴工作寿命缩短 .在实际过程中，若需要更大压力喷涂高粘度流体，喷嘴应采用更耐磨损材料，或在出口处硬化处理，增加喷嘴使用寿命.图3 不同入口压力下喷嘴内部压力场分布(XOY截面)图4为不同入口压力下，静态压力与距离的关系曲线(XOY截面).可以看出，不同入口压力下，总的趋势是喷嘴内轴向静态压力随着距离的增加而减小，且变化规律基本一致 .曲线图根据喷嘴结构可分为三个阶段：第一阶段，圆锥段(从 -3.5～4.5mm)，在2 mm之前，压力随距离下降平缓，对应的云层最厚，而从2～4.5 mm(圆锥向圆柱转换处)，压力下降加快；第二阶段，圆柱段(从4.5～7.0 mm)，在6.0 mm之前，曲线的斜率变化较小，说明这段压力随距离是缓慢下降的，距出口端0.5mm范围，即6.5～7.0 mm，随着距离增加，压力急剧下降；第三阶段，0.57 mm长度半圆形出口段(半圆形V型出口深度为0.57 mm)，压力随距离增加而增加，而后瞬时变为零. 总体来看，压力变化率最大阶段在出口端附近1 mm范围内，压力从106量级快速降为零，尤其是出口段，压力在略有上升后，瞬间降为零，此时施加在流体上的加速度最大，为流体在离开出口瞬间液膜破碎、雾化提供了动力[6] .(a) 10 MPa(b) 15 MPa(c) 20 MPa(d) 25 MPa图4 不同压力下，轴向静态压力与距离的关系从图4可以看出，在出口段随着入口压力的增加，压力的变化率增大.因此，入口压力增大，喷嘴出口处的磨损加快.这与喷嘴内部轴向压力分布云图是一致的.总之，从入口压力对喷嘴内部压力场分布的影响来看，入口压力在15～20 MPa 是合适的.3.2 入口压力对喷嘴内部速度场的分布的影响图5为不同入口压力，速度分布云图.由图可以看出，速度云图与压力云图(图3)一样，也呈梯度分布，速度随着轴向距离的增加而增加；入口压力越大，出口速度越大.图中明显可以看出原子灰流体与内壁接触的速度趋近于零，这是由于流体与金属内壁存在界面结合力所致.在锥形部分，不同速度云图层中，靠近锥形内壁的速度明显滞后于轴向速度，而与前一个较低速度云图层基本一致，形成的夹角与收敛角β一致；同样的道理，在圆柱部分，从中心到内壁速度成梯度分布，从轴心速度最大逐渐过渡到内壁为零，这种过渡是由于不同速度的流体间存在摩擦力的缘故；在出口段，单位距离的流体速度变化最大，且随着入口压力的增大而增大.一般雾化液滴小，出口速度应大于100m/s.当压力大于15 MPa时，出口速度已大于100 m/s，完全能够满足雾化的速度要求.图5 不同入口压力原子灰流体速度分布(XOY截面)图6为不同入口压力下，原子灰流体速度与距离的关系曲线.由图可知，除了与内壁接触的部分为零外，流体速度随着距离的增加而增大，且同一距离处轴心处的速度最大.在圆锥段，速度随距离的增加而增大，且在2～4.5 mm范围内，速度变化明显较之前加快，且轴心到壁面呈梯度分布；在圆柱段，最初的轴向速度随距离缓慢增加，轴心到壁面速度梯度分布更加明显，但距出口0.5 mm处，速度急剧增大.这与压力与距离的关系(图4)是基本一致的，因为速度变化是由压力变化引起的.由图还可以看出，随着距离的增加，越靠近内壁，速度降低越多，这是由于速度的增加，不同梯度速度的流体颗粒间阻力越大，相对于轴心速度下降越明显.(a) 10 MPa(b) 15 MPa(c) 20 MPa(d) 25 MPa图6 轴向(X方向)流体速度与距离的关系曲线图7为20 MPa下，Y和Z方向速度与距离的关系曲线.从图7(a)可以看出，在圆锥段速度逐渐增大，速度也成锥形，这是由于随着喷嘴流体速度的加快，圆锥段速度Y向分量也增大；在圆柱段(4.5～6.5 mm)，流体沿轴向流动，因为Y方向与壁面垂直，所以Y向速度接近于零，但在接近出口处(6.5～7 mm范围内)，速度同轴向一样，速率突然增加；在出口段，速度瞬间增大.而在喷嘴内，Z向的速度变化极小，几乎为零，即使在出口处其速度也不超过0.5 m/s，相对于轴向和Y向速度，Z向速度可以忽略不计.图7 20 MPa下Y和Z向速度与距离的关系曲线从图6和图7分析结果来看，轴向的速度明显大于Y向，以压力为20 MPa为例，轴向出口速度约为125 m/s，而Y向的速度约为60 m/s，这也很好地解释了定位喷涂，涂层厚度呈抛物线分布，如图8.图8 定位喷涂的涂层厚度分布示意图3.3 入口压力对出口流量的影响表1为不同入口压力的出口流量.由表1可知随着入口压力的增加而增大.根据流量公式[7]：(4)这里，Q，ρ，P，d和k分别代表流量，密度，压力，孔径和系数.对于相同的原子灰和喷嘴，流量与压力的平方根成正比.相邻压力的理论计算Q值和仿真Q′值的比值如表2所示.表1 不同入口压力的出口流量压力P/MPa 流量Q'/(Kg·min-1) 10 4.72 15 6.18 20 7.51 25 8.69表2 相邻Q和Q′的比值相邻Q比值(计算)相邻Q'比值(仿真)差值Q15/Q101.22Q'15/Q'101.310.09Q20/Q151.15Q'20/Q'151.220.07Q25/Q201. 12Q'25/Q'151.160.04由表2可以看出，随着压力增大，由式(4)计算的和仿真的相邻Q和Q′的比的差值越来越小，表明压力越大，仿真计算值与理论计算值越接近.这是因为较低的入口压力使靠近内壁的边缘层不能获得足够的速度从出口喷出，所以压力较小时，仿真流量较理论流量小，进而导致相邻比值偏大.实际上，仿真流量跟实际流量更接近些，因为它考虑了内壁对流体流动的影响.对于选定的喷嘴类型，喷涂参数主要包括喷涂压力，喷涂距离，喷涂速度，而喷涂距离一般都在30～40 cm，由于喷涂压力决定出口流量，喷涂速度决定涂层厚度，所以喷吐压力和喷涂速度就成为高压无气喷涂的决定性因素.就入口压力对出口流量的影响来看，入口压力15 ～20 MPa是比较合适的，压力再大，对出口流量影响有限(如表1) .这个压力范围既能满足喷涂雾化的要求，也能避免过大压力对喷嘴寿命的影响 .4 结论通过用 Fluent流体软件对不饱和聚酯原子灰高压无气喷涂扇形喷嘴内的压力、速度流场以及入口压力对压力、速度流场和出口流量的影响进行数值模拟，得到如下结论：①出口速度和流量随着入口压力的增大而增大；②压力和速度场云图呈层状分布、梯度变化；③圆锥向圆柱过渡段和出口段压力和速度变化剧烈，其它部分则变化平缓；④入口压力的增大对喷嘴出口段流场云图影响最大；⑤入口压力在15～20 MPa是比较适合无气喷涂.参考文献：【相关文献】[1]滕燕，王譞，李小宁. 高压无气喷涂涂料转移率的主要影响因素及规律[J].腐蚀与防护，2012，33( 9) : 753-756．[2]黄梅瑞．高压无气喷涂的可喷性分析及喷嘴结构的改进[J]．造船技术，1990( 4) : 32-35．[3]康津，罗静，龚文均，等.高压无气喷涂扇形喷嘴内部流场数值模拟[J]. 重庆理工大学学报( 自然科学), 2013, 27(10), 34-38.[4]马飞，张文明．水射流扩孔喷嘴内部流场的数值模拟[J] ．北京科技大学学报， 2006，28(6) :576-580．[5]王毅，曾良才，陈新元，等．高压除鳞喷嘴内部流场数值模拟与仿真分析[J]．武汉科技大学学报(自然科学版)，2007, 30(6) : 614-616．[6]黄梅瑞．高压无气喷涂的可喷性分析及喷嘴结构的改进[J]．造船技术，1990(4) : 32-35．[7]李敏风.无气喷涂工艺中专用喷嘴的选择[J]. 现代涂料与涂装，2007,10(4):32-36.。
高压无气喷涂扇形喷嘴内部流场数值模拟
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｈ ｅ ｓ ａ ｍｅ ｅ ｘ ｐｏ ￣ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｌ ｅ ｔ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｎ ｎ ｏ ｚ ｚ ｌ ｅ ｌｏ ｆ ｗ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｉ ｓ
２ ０ １ ３年 ｌ ０月
０ｃ ｔ ．２ ０１ ３
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ － ８ ４ ２ ５ （ ｚ ） ． ２ ０ １ ３ ． １ ０ ． ０ ０ ８
高压 无气 喷涂 扇 形 喷 嘴 内部流 场 数 值模 拟
康 津 ， 罗 静， 龚文均 ， 詹 捷， 廖 沛霖
４ ０ ０ ０ ５ ４ ）
（ 重 庆理工 大学 汽 车零部 件先 进制 造技 术教育 部重 点实 验室 ， 重庆
摘
要： 采用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件提 供 的 Ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ 层 流模 型对相 同 出 口结构 、 不 同入 口结构 的扇 形 喷
嘴 内部 流场进 行数值 模 拟 ， 并分析 比较 了不 同入 口结构 流体 的压 力梯 度及 速 度 变化 情 况 ， 以及
ｅ ｘ ｐ ｏ ￣ｊ ｅ ｔ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｌ ｆ ｏ ｗ ｓ ｉ ｚ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｒ ｅ ｄ ｒ ａ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｅ ｎ —
扇形喷嘴的射流特性研究
扇形喷嘴的射流特性研究
李喆;王国志;邓颖海;于兰英;冉春燕
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2016(0)1
【摘要】利用Fluent软件对扇形喷嘴流场进行了可视化仿真,分析计算了冲洗压力对射流性能的影响,并且分析了打击距离和打击角度对清洗效果的影响,从而有助于确定更为合理的射流参数.结果表明:随着入口压力的增大,流量和打击力都显著增加;对某一特定规格的喷嘴而言,打击角度为15°时较为合适.
【总页数】4页(P104-107)
【作者】李喆;王国志;邓颖海;于兰英;冉春燕
【作者单位】朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁062350;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁062350;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031;西南交通大学机械工程学院,四川成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TM754
【相关文献】
1.叶轮式旋转射流喷嘴的射流特性研究 [J], 牛似成;王翔;杨永印
2.扇形喷嘴的低压射流特性研究 [J], 林翔;刘桓龙;王国志;柯坚;于兰英
3.扇形雾化喷嘴的射流传热实验研究 [J], 熊建敏;邹光明;李萍;王兴东;孔建益
4.非结构参数对高压扇形喷嘴射流性能的影响研究 [J], 欧阳联格;戚玉柱;周水庭;杜盟;肖强
5.扇形喷嘴射流行为的数值模拟研究 [J], 姜博文;毛思琦;刘欣;李壮;贾冯睿;刘焕阳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
几种喷嘴的喷射流场模拟研究
几种喷嘴的喷射流场模拟研究在工业生产和实际应用中，喷嘴的使用广泛且复杂。
喷嘴的喷射流场特性直接影响其喷雾性能和效率。
本文通过模拟研究几种常见喷嘴的喷射流场，深入探讨其喷雾性能的差异，为实际应用提供理论依据。
喷嘴在许多工业领域如消防、冷却、清洗、喷涂等都有广泛应用。
不同种类的喷嘴具有不同的喷射流场，从而具有特定的喷雾性能。
对于喷嘴的选择和使用，了解其喷射流场特性至关重要。
因此，本文选取了几种常见的喷嘴，通过模拟研究其喷射流场，以评估其喷雾性能。
本文选取了以下几种喷嘴进行模拟研究：扇形喷嘴、圆锥形喷嘴、气动喷嘴和平行喷嘴。
通过计算流体动力学（CFD）方法，对每种喷嘴的喷射流场进行模拟，得到了以下结果。
扇形喷嘴：扇形喷嘴的喷射流场呈现明显的扇形，具有较大的覆盖面积和较远的喷射距离。
模拟结果显示，扇形喷嘴的喷雾性能与喷嘴出口角度密切相关。
圆锥形喷嘴：圆锥形喷嘴的喷射流场呈现圆锥形，射程较远，但覆盖面积较小。
模拟结果显示，圆锥形喷嘴的喷雾性能受喷嘴出口角度和流体流速的影响较大。
气动喷嘴：气动喷嘴的喷射流场特点是流体受气压驱动喷出，形成高速射流。
气动喷嘴的覆盖面积较小，但具有较远的喷射距离和较高的喷雾速度。
模拟结果显示，气动喷嘴的喷雾性能受气动压力和流体特性的影响显著。
平行喷嘴：平行喷嘴的喷射流场特点是流体以平行方式喷出，形成宽广的喷雾带。
平行喷嘴的覆盖面积较大，但喷射距离相对较短。
模拟结果显示，平行喷嘴的喷雾性能主要受流体流速和喷嘴间距的影响。
通过对几种喷嘴的喷射流场进行模拟研究，发现不同喷嘴的喷雾性能存在差异。
具体对比分析如下：扇形喷嘴与圆锥形喷嘴：扇形喷嘴和圆锥形喷嘴都具有一定的喷射角度和射程。
然而，扇形喷嘴在覆盖面积上具有优势，而圆锥形喷嘴在射程方面表现较好。
在实际应用中，可根据需求选择合适的喷嘴类型。
气动喷嘴与平行喷嘴：气动喷嘴以高速射流为主要特点，而平行喷嘴以广范围喷雾为优势。
在特定应用场景下，气动喷嘴和平行喷嘴各有优点。
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高压水射流扇形喷嘴内外流场仿真分析摘要：高压水射流清洗是高压水射流应用的一个重要方面，与传统的机械式、化学式清洗相比，具有广泛的通用性和相对环境无害性等独特优点。
由于高压水射流清洗具有显著的优势，在世界范围内对环境保护日益重视的形势下，得到了各行业的高度重视，在各个领域都有快速的发展和广泛的应用。
喷嘴是高压水射流成套设备的核心，是形成水射流工况的直接元件，它所造成的结果直接影响到系统的各个部分.实际上，研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷嘴，将极大地提高射流效率.其中，由于扇形喷嘴能产生平坦均匀的扁平射流越来越广泛的应用于工业及日常清洗作业当中。
为了研究喷嘴几何参数对射流流场性能的影响，文章首先采用计算流体力学的原理，依照计算前处理的次序介绍了数值模型的建立、网格划分、边界条件和初始条件的设定、计算控制参数设定等.并采用FLUENT软件中的层流单相模型和湍流混合模型对射流流场的速度、压力、介质等物理量进行了射流内外流场的数值模拟研究。
在边界条件和初始条件相同的情况下，分别改变扇形喷嘴的入口形状、内流道长径比、出口角度，用FLUENT软件对喷嘴射流的内外部流场性进行了模拟和分析，从而得出最佳的喷嘴结构参数。
最后，文章总结了在喷嘴射流研究中取得的成果和不足，对今后研究工作提出展望。
文章得出的一些结论为以后的研究和优化高压水射流清洗喷嘴的设计提供了参考依据。
关键词:高压水射流;几何参数:扇形喷嘴:数值模拟1.1高压水射流清洗概述高压水射流清洗技术是从20世纪70年代发展起来的一项新的清洗技术。
由于高压水射流清洗具有显著的优势，在世界范围内对环境保护日益重视的形势下，得到了各行业的高度重视，在各个领域都有快速的发展和广泛的应用。
高压水射流清洗技术呈现出了良好的发展态势。
水射流是由喷嘴流出形成高速水流束，射流的流速取决于喷嘴出口界面前后的压力降。
水射流是能量转变与应用的最简单的一种形式。
通常，动力驱动泵通过对水完成一个吸、排过程，将一定量的水泵流送到高压管路，使其以一定能量到达喷嘴.而喷嘴的孔径要求比高压管路直径小得多，因此到达喷嘴的这一一定量的水要想流出喷嘴孔，必须加速。
这样，经过喷嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。
射流一且离开喷嘴，它的凝聚段不会太长。
对此，射流的速度尤为重要。
水经过泵送获得了压力，压力首先驱动水自泵至喷嘴，又使其以给定的速度通过喷嘴.在此期间，水流与管壁的摩擦形成了主要的压力损失，同时水流也因经过不同形状的流道产生压力损失。
当射流到达靶件时，射流以其速度形成的能里转变成冲击压力作用在工作的表面上。
射流离开喷嘴后最常见的形式是圆柱射流。
这种形式的射流携带射流能量最为有效，但它在靶件表面上的有效打击面积也最小.为了进行大面积清洗，通过改变喷嘴形状就有了扇形射流，其特点是射流以一条线的形式冲击在靶件上，随着喷嘴的位移，便出现了一条宽幅的清洗面。
近年来还出现了一些不同形状的喷嘴，如圆锥形、三角形、矩形等，统称为异形喷嘴。
高压水射流技术过去主要应用于开采煤矿等领域。
近十几年来，水射流技术得到了长足发展不断开发出新产品。
技术水平也不断提高，随着大型化、智能化、专用化装备的发展，高压水射流技术己经渗透到各个应用领域:如工业清洗、除锈除层、水力切割、工程破碎、喷射注浆、钻孔开采等Ill其中高压清洗作业一直是工业及民用领域不可缺少的一个重要行业。
一般的清洗方法可分为物理清洗和化学清洗两大类。
利用力学、热学、声学、光学、电学原理，依a外来能量的作用，如机械摩擦、超声波、高压、冲击、紫外线、蒸汽等除去物体表面污垢的方法称为物理清洗:依靠化学反应的作用，利用化学药品或其他溶剂清除物体表面污垢的方法称为化学清洗。
物理清洗和化学清洗都有各自的特点，实际应用时应根据被清洗物体的情况和清洗要求进行选择和使用。
随着社会的进步和工业对于设备运转效率及环境保护的要求，化学清洗方一法的使用受到了很大的限制，在工程上主要表现为:(1)当结垢物很厚或管道堵死时，不能应用化学方法清洗.(2)对于具有多成分的复杂的机械混合物或结垢物，化学药剂的选择十一分困难，故难以用化学方法清洗。
(3)化学药剂对清洗对象有一定的腐蚀作用，一些重要设备不能用化学方法清洗。
(4)化学清洗作业中的酸碱排放物对环境污染严重。
(5)化学清洗需要大量的酸与缓释剂，特别是对于大口径管道与大型容器需要化学药剂的数量巨大，清洗成本高.(6)需要长时间浸泡及循环，清洗效率和清净率低。
(7)对清洗对象的形状、材质等选择性强。
如轮船下部船体、甲板、钻井平台、市政工程大型管道及飞机跑道等，无法使用化学药剂浸泡及循环，很难清洗。
高压水射流清洗属于物理清洗。
与化学清洗相比，高压水射流清洗技术具有如下优点:(1)清洗质量好，通常情况下，选择合适的压力等级，高压水射流清洗.不会损伤被清洗基体。
(2)清洗速度快。
由于水射流的冲刷、楔劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可迅速将结垢物打碎脱落，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械一及手工方法清洗速度快几倍到几十倍。
(3)无环境污染。
(4)适用范田广.高压水射流清洗能清洗形状和结构复杂的零部件.能在空间狭窄复杂和操作环境较差的条件下进行清洗，对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求，只要求能够直射，故其应用十分广泛。
(5)易于机械化、自动化。
(6)节能、省水、清洗成本低.高压水射流使用的介质是自来水，它来源容易，普遍存在。
在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂，即可清洗干净，故清洗成本低，大约只有化学清洗的1/3左右。
其次.水射流清洗方法与消防用水不同，属细射流喷射，所用的喷嘴直径只有0.5-2.5mm，故耗水量只有3-5m'/h所用动力的功率为37-90kW，故属节水节能设备。
（7）在设备维修中能较好恢复设备性能、延长设备寿命。
由于高压水射流清洗具有以上诸多优点，一经问世，便得到了快速的发展和广泛使用，在各种物理清洗方法的实际应用中占很高比例。
在工业发达国家高压水射流清洗已经成为主流清洗技术，在清洗业市场占到了较高的份额。
目前，在一些发达国家已达到市场份额的80%以上，如美国石油化工企业的换热设备清洗，采用化学清洗的只占5%，而采用高压水射流清洗的则占80%以上1.2高压水射流清洗装置的组成高压水射流清洗装置称为高压水射流清洗机，主要由高压水装置、动力设备、喷嘴、高压软管及工作附件组成，如图1.1所示.(1)高压水装黄高压水装置是高压水射流装置中最重要的部件，主要有离心泵、柱塞泵和增压器等。
(2)动力部分动力源通常为柴油机或电动机.为方便现场施工，一般车载的高压水射流清洗装置的动力源为柴油机，它尤其适合在不具备大功率电源的工厂或车间使用。
一些小型高压水射流清洗装置常用电动机作为动力源.(3)高压软管高压水泵和喷嘴之间通过高压管路连接，高压管路由内管、增强层和外皮三部分组成。
内管输送水，增强层提高内管的强度以耐受高压，外皮起保护作用，以防止腐蚀和机械损伤。
高压软管的增强层用钢丝编织，一般有两三层。
(4)喷嘴及工作附件高压水经高压软管到达喷嘴及工作.喷嘴的作用是将高压低流速水转化为高流速的射流。
喷嘴及附件是影响清洗效果的重要因素。
喷嘴一般由特质材料制成，有画柱形和扁平行两种。
圆柱形喷嘴射程远，单作用面积小:扁平行喷嘴的射程短，但作用面积大。
同一型号的喷嘴有不同的口径，一般为1.5-2.1 mm，口径小的喷嘴适用于高压力低流最的清洗，反之则选用大口径的喷嘴。
1.3水射流的分类高压水射流应用于清洗操作时，工作压力等级按国际上普遍采用的等级划分，通常为:0.5-20MPa为低压:20-70MP:为中压:70-14OMPa为中高压:140-400MPa为高压;400M Pa以上为超高压。
根据发生方法、环境介质、形态等条件不同，水射流可分为多种。
一般在清洗操作中使用的射流主要为以下几种:(1)连续射流。
从射流的形态来看，射流可分为连续射流和非连续射流.连续射流除在开始时存在一个冲击峰值外，基本保持着对被作用体稳定的压力.连续射流又可根据其周田介质分为淹没射流和非淹没射流。
实际清洗工程中，高压水射流清洗以使用非淹没连续射流居多。
(2)冲击射流。
这种射流的特点是产生一个只持续时间极短的压力峰值，高速水滴和脉冲射流即属于此类。
脉冲射流是一种射流参数随时间变化，对物体的作用也随时间周期性变化的不稳定射流。
(3)混合射流。
其特点是冲击压力和稳定压力相结合，施加载荷的过程为:一个冲击压力加上一段稳定压力.稳定压力的持续时间与水滴的速度和大小有关。
1.4高压水射流清洗机理及影响因素1.4.1以渗透为主的破碎过程对于水可渗透，即水能渗入垢层之间的孔隙，并对垢层颗粒施加压力的各类垢层，当此压力大于颗粒之间的引力时，产生裂纹且裂纹一步一步地扩散，后面的射流又直接起压缩、剪切和水楔作用，从而使污垢产生裂缝、凹坑到全部剥落.在这个过程中起决定作用的是水的渗透引起的作用于垢层颗粒上的水压力。
当射流速度达到某一临界值时，将在物料中形成应力波，加速物料破碎，对于垢层这种特殊的物料来说，这个临界速度很难得到，这主要是由于成垢条件对垢层的成分、结构影响所致。
寻找这个临界速度对于小射流清洗也不经济在实际清洗过程中，在满足压力的条件下，垢层的破碎己经十分迅速，基本上不受射流速度的影响在清洗中，为提高清洗效率，存在一个最佳横移速度的问题，即射流横扫污垢的速度，如图1.2所示。
横移速度大，清洗速度快，效率就高，但有可能造成局部清洗不初底和漏洗现象。
要充分发挥射流的水楔作用，使垢层剥离，一般应采用较低的横移速度。
对实际操作的横扫速度而言，确定具体的参考值意义不大。
这主要应是根据污垢层厚度、污垢性质及清洗质量要求，由操作者依据经验设定和控制。
1.4.2直接压缩和剪切为主的过程对于软a的渗透性的物料垢，主要是通过水压力直接压缩和剪切引起破碎应力.当该应力按照一定的规律超过垢层的强度极限时，垢层将产生裂纹、裂缝，在后续水射流的水楔等作用下扩张成坑，最后达到垢层的全部破裂并被冲洗干净。
按照弹性力学理论，水射流对污垢压缩和剪切引起的应力状态为三维空间应力状态。
图1.3为任一水滴对污垢作用的受力示意图。
对此受力情况下的应力可按三向应力状态分析，根据强度理论求解水射流的压力，求解时，极限应力可取垢层的强度极限.由于垢层成分、结构的复杂，没有详细的性能应力。
应变等参数，目前只能作为一种定性分析的方法，由试验确定水射流对垢层冲蚀的压力情况。
对于非渗透软垢层，在15MPa左右的高压水射流作用下，垢层通常可迅速被除去，其效果一般优于化学清洗。
在实际清洗操作过程中，对于沥青、润滑油等垢层的清洗，主要是利用射流的剪切力作用，故应采用大冲击角的清洗操作方式，以充分发挥剪切作用除去垢层.1.5高压水射流清洗技术的应用高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色技术.水射流以其通用性和对环境无害性备受清洗行业的青睐，应用日益广泛·由于水射流清一洗不影响环境、效率高，且能最大限度地满足各类用户的特殊要求，因此其应用在国家经济建设和人们日常生活中几乎无处不见。