高压水射流喷嘴内部流场的数值模拟.doc

高压水射流喷嘴内部流场的数值模拟邹全乐1,2（ZS11120055）1中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 2210082煤炭资源与安全开采国家重点实验室 江苏 徐州 221008摘要：利用ANSYS软件建立了高压水射流喷嘴内部流场的三维数学模型。采用标准k-模型模拟了喷嘴的内部流场，并分析了喷嘴参数对流场速度分布及出口速度的影响。结果表明：随着收缩角的增大，出口轴心速度先增加后减小。出口圆柱段的长度在一定范围内对轴心出口速度影响不显著。随着出口直径的增大，轴心出口速度逐渐减小。综合分析后得到了最优的参数组合。关键词：喷嘴 内部流场 最优组合 数值模拟Numerical simulation on internal flow field in a nozzle with high pressure jetABSTRACT A three-dimensional mathematical model of internal flow field in a high-pressure nozzle was established with the ANSYS software.Using the standard k -turbulent model , the internal flow field in the nozzle was simulated and the influence of nozzle parameters on the velocity contour and outlet axial velocity of the flow field was studied.The results show that the outlet axial velocity increases before decreasing as the convergence angle becomes bigger.The length of cylinder section has little effect on the outlet axial velocity within a certain range.When the outlet diameter was enlarged, the outlet axial velocity turned smaller.The best combination of nozzle parameters were obtained after comprehensive analysis.KEY WORDS nozzle;internal flow field;best combination; numerical simulation 高压水射流技术是近20年发展起来的一门新技术，它是利用高压水发生设备产生高压水，通过喷嘴将压力转变为高度聚集的水射流，能完成清洗、切割、破碎等各种工艺的技术。喷嘴是高压水射流发生装置的执行元件，其作用是通过喷嘴内孔横截面的收缩面的收缩，将高压水的压力能聚集起来，并转化为动能，最后以高速水射流的形式向外喷出，用以对物料进行清洗、破碎或切割。高压水射流常涉及多相混合的介质射流，机理复杂。简单的一维理论研究对喷嘴及其射流的真实流动进行描述，精确性受到很大的限制。而实验方法会受到模型尺寸、流场扰动、测量精度的限制，有时很难通过实验方法得到结果。近50年来随着计算机技术和CFD理论研究的飞速发展，应用CFD方法进行多维数值模拟更具有准确、可靠、快速、方便的优势。本文采用ANSYS中的FLOTRAN CFD模块对高压水射流喷嘴的内部流场进行数值模拟，研究喷嘴的各个几何参数对喷嘴出口速度的影响规律，最后确定出最佳的参数组合。这对于取得理想的切割效果有着重要的意义。1喷嘴结构及其参数圆锥收缩型喷嘴具有阻力系数小、速度系数及流量系数大、结构简单、加工难度低、成本低的特点，因而适宜用于切割物料的设备中。如图1示，其主要几何参数包括：喷嘴的收缩角、入口直径D、出口直径d、喷嘴长度L及喷嘴出口圆柱段长度S等。以上各个因素对喷嘴的切割性能均有较大的影响，主要表现在射流的出流速度上，即：出流速度越大，射流动能越大，切割性能越强。反之，则越弱。图1 圆锥型喷嘴结构示意图2模型的建立2.1物理模型图2为喷嘴内部结构的物理模型。取喷嘴长度L=25mm。当L、S、d均确定时，入口直径D即确定。假设喷嘴的内介质为不可压缩的清水且做湍流运动。本文主要探究喷嘴参数S、d对喷嘴内部流场的影响规律。图2 喷嘴物理模型2.2控制方程射流在圆锥型收缩喷嘴内部的流动状态为复杂的湍流流动，故选用连续性方程和N-S方程作为控制方程，并采用标准k- 双方程湍流模型建立封闭的控制方程组。（1） 不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为: （2）不可压缩流体的N-S方程在空间直角坐标系中的表达式为: （3） 标准k-方程模型的湍动能k和耗散率方程为: 式中：Gk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，YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。湍流粘性系数： 在ANSYS中，作为默认值常数，C1=1.44，C,2=1.92，C3=0.09，湍流能k与耗散率的湍流普朗特数分别为=1.0，=1.3。 2.3边界条件射流入口速度为v=Q/s，其中Q=26.7L/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/m3，运动粘度为1.00410-6m2/s。喷嘴内壁为固定的固体边界。 2.4网格划分在ANSYS中分别按照各模型参数建立喷嘴模型。单元类型选择2DFluent141，划分尺寸为0.0002，采用映射划分，模型划分后如图3示。图3 喷嘴网格示意图3计算结果与分析3.1收缩角对喷嘴内部流场的影响令S=4.5mm，d=3mm，而为不同值时，对喷嘴内部流场进行了数值模拟，其计算结果如图4、图5所示。图4为喷嘴内部流场速度分布云图，图5为喷嘴轴心出口速度随变化的关系曲线。 =200 =300=600图4 扩散角对喷嘴内部流场速度分布的影响由图4可知，在喷嘴内部越靠近喷嘴出口，轴心速度越大，且速度的等直线关于轴心线对称，大致呈抛物线形状。靠近喷嘴内部固壁可见一薄薄的边界层。由图5可知，出口轴心速度随着收缩角的增大先增大。=300时，出口轴心速度达到最大值68m/s。随后，出口轴心速度虽收缩角的增大而减小。当收缩角较小时，入口断面面积较小，由于流量不变，则入口速度较大，经收缩喷嘴的聚能作用后，出口速度亦较大。但随着收缩角的继续扩大，入口速度不断减小，当其大于喷嘴的聚能作用时，出口轴心速度则开始减小。因此取最佳收缩角为300。 图5 收缩角与出口轴心速度的关系3.2 出口圆柱段长度对出口轴心速度的影响 取=300，d=2mm，而S 为不同值时，对喷嘴内部流场进行了数值模拟，其计算结果如图6、图7 所示。图6 为喷嘴内部流场速度云图，图7 为喷嘴内部流场压力云图。S=4mm S=6mmS=10mm图6 出口圆柱段长度对喷嘴内部流场速度分布的影响 由图6 可知，入口速度相同时，喷嘴内部速度亦沿轴心线对称且呈抛物线形状分布，出口速度为整个速度场的最大值，但轴心出口速度的值相差不多，说明喷嘴圆柱段长度对轴心出口速度的影响不显著。随出口圆柱段的增长，沿程阻力会随之增加，但实现喷嘴聚能功能的主要部位在收缩段，相比之下，其影响可以忽略。 由图7 可知，压力分布大致相同，沿轴心线先减小，在收缩段和圆柱段的连接处出现一个负压区，随后压力趋于稳定。对于喷嘴破岩来说，负压区的存在在一定程度上来说是有益的。当负压区内的压力低于当地水蒸气的饱和蒸汽压力时，就会诱发空化现象，水射流的破坏能力在空蚀作用的协同下会得到增强。因此取最佳出口圆柱段长度为4.5mm。S=4mm S=6mmS=10mm图7 出口圆柱段长度对喷嘴内部流场压力分布的影响3.3出口直径对出口轴心速度的影响 取=300，S=4.5mm，而d为不同值时，对喷嘴内部流场进行了数值模拟，其计算结果如图8所示。d=2mm d=2.5mmd=3mm图8 出口直径对喷嘴内部流场速度分布的影响由图8可知，随着出口直径的增大，出口轴心速度减小，射流的打击能力逐渐减小，但出口流量则逐渐增大，排渣能力增强，这对于井下水力切割坚固性系数小的软煤是有利的。另外，出口直径越小，则加工精度提高，成本也相应增加。因此，选最佳出口直径为3mm。综上所述，可得喷嘴最佳参数组合如表1示。表1 喷嘴最优结构参数表结构名称收缩角（8）出口直径d（mm）喷嘴长度L（mm）出口圆柱段长度S（mm）进口直径D（mm）参数值303254.5144结论 （1）采用ANSYS中的FLOTRAN CFD模块对高压水射流喷嘴的内部流场进行了数值模拟研究，以寻求最佳的参数组合，这对于提高高压水射流切割效果有着重要的意义。 （2）喷嘴的主要几何参数包括：喷嘴的收缩角、入口直径D、出口直径d、喷嘴长度L及喷嘴出口圆柱段长度S等。其合理配置对喷嘴出口射流的质量起着至关重要的作用。 （3）随着收缩角的增大，出口轴心速度先增加后减小。出口圆柱段的长度在一定范围内对轴心出口速度影响不显著。随着出口直径的增大，轴心出口速度逐渐减小。 （4）综合数值模拟结果并结合现场施工的需要确定了最佳几何参数组合：收缩角=308，出口直径d=3mm，喷嘴长度L=25mm，出口圆柱段长度S=4.5，进口直径D=14mm。参考文献1 沈忠厚.水射流理论与技术M.东营：中国石油大学出版社，1998.2 王洪伦,龚烈航,姚笛. 高压水切割喷嘴的研究J . 机床与液压,2005 (4) :42