《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》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

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（河南理工大學能源科學與工程學院焦作河南454000）摘要：文章應用FLUENT軟件對噴嘴的內(nèi)外部流場進行數(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NumericalSimulationStudyonStructureDesignandParametersOptimizationofH

2、ighPressureWaterJetCuttingNozzleYUHong,LUTingkan(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo,454000,China)Abstracts:NumericalsimulationstudywascarriedoutontheinternalandexternalflowfieldofthenozzlewithFLUENTsoftwareinthepaper,andorthogonalexperimentwasdone

3、,whichanalysisfourmainstructureparametersofnozzleimpactingonjetspeedanddynamicpressure.Thesimulationresultsshowsthatanozzle,whichsuitableforcutting,andthatthecontractionangleofnozzlehasanimportantimpactontheperformance,andtheleveltransitionsectionisalsoanimportantfactor.Keywords：FLU

4、ENT，nozzlestructure，orthogonalexperiment,parametersoptimize1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?，可用這種射流對物料進行切割、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割效果，進而影響到系統(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

5、速沖擊物料表面，通過水射流的沖擊作用、動壓力作用、脈沖負荷引起的疲勞破壞作用以及水楔作用破壞物料，達到切割效果。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)過管線進入噴嘴形成高壓水射流，為了達到切割的目的，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

6、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

7、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/mm2——1421314—2131464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到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復雜流動計算問題[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。采用應用較為廣泛的-紊流模型．在軸對稱柱坐標下，不可壓縮流體二維流動模型封閉的方程組可寫成如下的統(tǒng)一形

8、式[5]：式中—變量、、、—方程的源項