高壓水射流切割噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

1、高壓水射流切割噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究于洪 陸庭侃（河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 焦作 河南 454000）摘要：文章應(yīng)用FLUENT軟件對噴嘴的內(nèi)外部流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對影響噴嘴出口速度和動壓的四個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交試驗，模擬研究結(jié)果得出適合用于切割的噴嘴結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究表明噴嘴的收縮角對噴嘴的性能影響最大，噴嘴出口水平過渡段也是一個重要的影響因素。關(guān)鍵詞：FLUENT ； 噴嘴結(jié)構(gòu) ；正交試驗 ；參數(shù)優(yōu)化Numerical Simulation Study on Structure Design and Parameters Optimization of

2、High Pressure Water Jet Cutting NozzleYU Hong ,LU Tingkan (School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, 454000, China)Abstracts: Numerical simulation study was carried out on the internal and external flow field of the nozzle with FLUENT software in the paper, and

3、 orthogonal experiment was done, which analysis four main structure parameters of nozzle impacting on jet speed and dynamic pressure. The simulation results shows that a nozzle, which suitable for cutting , and that the contraction angle of nozzle has an important impact on the performance ,and the

4、level transition section is also an important factor.Key words：FLUENT，nozzle structure，orthogonal experiment, parameters optimize1 引言高壓水射流技術(shù)是近二十年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，其應(yīng)用日趨廣泛。近年來，高壓水射流在煤層鉆孔和割縫方面正得到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注。高壓水射流基本原理是利用高壓水發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生高壓水，通過噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨染奂乃淞鲃幽埽捎眠@種射流對物料進(jìn)行切割、破碎和清洗。噴嘴是高壓水射流設(shè)備形成水射流工況的直接元件，噴嘴的好壞直接影響到切

5、割效果，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的其它各個部分。在整個水射流設(shè)備中，由高壓軟管送過來的水經(jīng)過噴嘴從高壓低速轉(zhuǎn)化為低壓高速沖擊物料表面，通過水射流的沖擊作用、動壓力作用、脈沖負(fù)荷引起的疲勞破壞作用以及水楔作用破壞物料，達(dá)到切割效果。因此對水射流噴嘴的分析研究極其重要1-2。2 噴嘴理論基礎(chǔ)泵的流量是固定的，泵排出的水一部分經(jīng)過溢流閥回到水箱，一部分經(jīng)過管線進(jìn)入噴嘴形成高壓水射流，為了達(dá)到切割的目的，必須使經(jīng)過噴嘴小孔的流體具備一定的速度，這就要求泵必須具備一定的輸入功率。當(dāng)泵的壓力和流量等參數(shù)確定以后，與之相匹配的噴嘴孔徑就能確定下來3：式中：-噴嘴小孔出口截面直徑，mm；-泵的流量，L/min；-為流體

6、的流量系數(shù)；-為泵的額定壓力，MPa。3 噴嘴結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)分析噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：噴嘴的收縮角、入口和出口過渡形狀、錐形直線段L、出口直徑d、出口段是否具有圓柱段。如果有圓柱段，圓柱段長度l與出口直徑d的比值等。目前，水射流切割或清洗工藝中常用的有兩種基本的結(jié)構(gòu)：一是圓形孔口型噴嘴，另一是圓錐收斂型噴嘴。其內(nèi)流道型線均為直線型，且多以平頂形噴嘴、錐形噴嘴和錐直型噴嘴居多，如圖3-1所示。(a) 平頂型噴嘴 (b) 錐形噴嘴 (c) 錐直型噴嘴圖3-1 噴嘴類型為了獲得最佳噴嘴幾何結(jié)構(gòu)，針對以上三種類型的噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分別給出三種噴嘴模擬的幾何參數(shù)如表3-1：表3-1 噴嘴模擬幾何參

7、數(shù)噴嘴類型幾何參數(shù)平頂型噴嘴錐形噴嘴錐直型噴嘴噴嘴直徑d/mm收縮角/°錐形直線段長度L/mm噴嘴圓柱段長度l/mm214213142131464 噴嘴結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬模擬軟件采用ANSYS公司開發(fā)FLUENT，該軟件設(shè)計基于CFD軟件群的思想，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題4。4.1控制方程設(shè)單位質(zhì)量流體的紊動動能為，的粘性耗損率為,為軸向速度，為徑向速度，為流體的密度。采用應(yīng)用較為廣泛的-紊流模型在軸對稱柱坐標(biāo)下，不可壓縮流體二維流動模型封閉的方程組可寫

8、成如下的統(tǒng)一形式5：式中變量、方程的源項方程中各項具體的表達(dá)式為：（1）連續(xù)性方程：（2）動量方程：（3）動量方程：（4）紊動量方程：（5）耗散率方程：其中式中動力粘性系數(shù) 紊流粘性系數(shù)， 的紊流Prandtl數(shù)， 的紊流Prandtl數(shù)，方程組中的各常數(shù)取值為：，。4.2數(shù)值模擬計算條件計算域網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，噴嘴的初始條件相同，湍流模型采用k-模型。入口邊界條件：壓力入口條件，壓力為60MPa；出口邊界條件：壓力出口條件，壓力為1MPa；壁面條件：無滑動壁面條件，設(shè)置為默認(rèn)，材料特性設(shè)置：水，密度：998.2kg/m3,粘性：4182j/kg-k.解算器參數(shù)設(shè)定為非耦合隱式求解，二階迎

9、風(fēng)格式,其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)。4.3 模擬結(jié)果分析在以上的模擬計算條件下，對三種噴嘴的內(nèi)外部流場進(jìn)行了模擬，其速度和動壓等值線云圖如圖3-2、圖3-3所示。(a) 平頂型噴嘴 (b) 錐形噴嘴 (c) 錐直型噴嘴圖3-2 三種噴嘴的速度等值線云圖 (a) 平頂型噴嘴 (b) 錐形噴嘴 (c) 錐直型噴嘴圖3-3 三種噴嘴的動壓等值線云圖從三種噴嘴的動壓分布圖和速度分布圖可以看出各個噴嘴因噴嘴結(jié)構(gòu)的不同，所產(chǎn)生的壓力等值線和速度等值線的分布均不相同。射流在進(jìn)入噴嘴后加速，水射流在收縮段產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，在收縮段水射流的原始壓力增大，射流進(jìn)入過渡段后，水平的過渡段對射流產(chǎn)生一定的穩(wěn)定效果，射流離開噴嘴后

10、，發(fā)現(xiàn)射流的動壓有相應(yīng)的減小。由于噴嘴結(jié)構(gòu)的不同，對射流產(chǎn)生了較大差別的動壓和速度分布，從平頂型噴嘴和錐形噴嘴可以看出，收縮角對射流流場的影響極大，有收縮角的噴嘴產(chǎn)生的流場在噴嘴出口處較細(xì);噴嘴的水平過渡段對流場的影響也很大，對錐形噴嘴和錐直型噴嘴的比較得出，有水平過渡段的噴嘴流場的射流等核區(qū)長度明顯，無水平過渡的噴嘴流場等核區(qū)分布不明顯。對于水射流切割噴嘴而言，錐直型噴嘴射出的射流流場特性更好，射流出口軸向速度大，并且半徑方向上的徑向速度無波動，有利于切割。綜合比較后，認(rèn)為具有收縮段、水平過渡段錐直型噴嘴更適合于做高壓水射流切割噴嘴。5 噴嘴參數(shù)優(yōu)化從以上數(shù)值模擬研究中，初步選定錐直型噴嘴為

11、本研究選定切割噴嘴，現(xiàn)對其幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為此進(jìn)行正交試驗設(shè)計6。本試驗是通過噴嘴的出口速度大小來優(yōu)選噴嘴的幾何參數(shù)，影響噴嘴出口速度有如下四個因素：1）噴嘴直徑d；2）收縮角；3）錐形直線段長度L；4）噴嘴圓柱段長度l。每個因素有三個水平，列成如下的因素水平表，見表5-1。表5-1 因素水平表因素水平噴嘴直徑d/mm收縮角/°錐形直線段長度L/mm噴嘴圓柱段長度l/mm123A1 =1A2=2A3=3B1=12B2=13B3=14C1=6C2=12C3=18D1=3D2=6D3=9根據(jù)因素的水平數(shù)，選用L9(34),然后進(jìn)行表頭設(shè)計、水平翻譯，列出試驗方案表，見表5-2。表5

12、-2 正交表因素試驗號噴嘴直徑d/mm收縮角/°錐形直線段長度L/mm噴嘴圓柱段長度l/mm噴嘴出口速度/ m/s1234567891(1)1(1)1(1)2(2)2(2)2(2)3(3)3(3)3(3)1(12)2(13)3(14)1(12)2(13)3(14)1(12)2(13)3(14)1(3)2(6)3(9)2(6)3(9)1(3)3(9)1(3)2(6)1(6)2(12)3(18)3(18)1(6)2(12)2(12)3(18)1(6)344.257348.5433346.5619344.1671354.3533342.0943347.1017352.3314349.246

13、9R1039.3621040.6151048.689.3181035.5261055.2281037.90319.7021038.68271041.9571048.0179.33431035.5981037.7391043.067.462T=3128.657試驗安排好后，按各號試驗的條件進(jìn)行模擬試驗，記錄九個噴嘴的模擬試驗結(jié)果。試驗考察的指標(biāo)為噴嘴出口速度，把九組試驗結(jié)果列入表5-2的右側(cè)指標(biāo)欄內(nèi)，計算因素的極差：RA=9.318, RB=19.702, RC=9.3343, RD=7.462,按極差大小，因素的主次順序排列如下： 主 次B C A D直接比較9個試驗結(jié)果的噴嘴出口速度，可以看

14、出：第5號試驗的噴嘴出口速度最大，因此噴嘴的較優(yōu)幾何參數(shù)如表5-3所示：表5-3 較優(yōu)噴嘴幾何參數(shù)噴嘴幾何參數(shù)參數(shù)值噴嘴直徑d/mm收縮角/°錐形直線段長度L/mm噴嘴圓柱段長度l/mm213966 結(jié)論通過對噴嘴結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的數(shù)值模擬研究，可以得出以下結(jié)論:(1) 具有收縮段、水平過渡段噴嘴射流流場特性更好，射流出口軸向速度大，并且半徑方向上的徑向速度無波動，適合于做高壓水射流切割噴嘴。(2) 在噴嘴的四個主要的幾何參數(shù)中噴嘴的收縮角對噴嘴的流場影響最大，噴嘴是否具有水平過渡段也是影響噴嘴性能的重要的因素，數(shù)值模擬研究結(jié)論和相關(guān)實驗研究結(jié)果相符。參考文獻(xiàn)：1 孫家俊.水射流切割技術(shù)M.北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.2 崔謨慎,孫家俊.高壓水射流技術(shù)M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.3 劉俊,秦臻.高壓水射流清洗作業(yè)中噴嘴的設(shè)計原理和選型依據(jù)J.管道技術(shù)與設(shè)備，2007(5),43