前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验

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1、第３４卷第３期煤炭学报Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．３２００９年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹＭａｒ．２００９文章编号：０２５３－９９９３（２００９）０３－０４１０－０５前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验１，２１２２２崔俊奎，赵军，李国威，郭仁宁，武春晓（１天津大学机械工程学院，天津３０００７２；２辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新１２３０００）摘要：通过建立磨料水射流喷嘴有限元模型，对２种不同直径的前混合式磨料水射流的喷嘴外流场进行仿真分析．结果表明，在喷嘴其它几何条件相同的情况下，出口直径对喷嘴的出口速度影响比较大，出口直径越大，出口速度越小；在

2、一定程度上将混合管适当地加长，可以提高磨料射流在喷嘴出口处的速度；磨料水射流最佳的切割距离为喷嘴出口直径的２０～５０倍．磨料水射流切割靶体实验结果与靶体冲击仿真结果基本吻合．关键词：前混合式；磨料水射流；喷嘴；流场仿真；有限元法中图分类号：ＴＰ６０１文献标识码：ＡＦｌｏｗｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｒｅｍｉｘｅｄａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔｓｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅｎｏｚｚｌｅ１，２１２２２ＣＵＩＪｕｎｋｕｉ，ＺＨＡＯＪｕｎ，ＬＩＧｕｏｗｅｉ，ＧＵＯＲｅｎｎｉｎｇ，ＷＵＣｈｕｎｘｉａｏ（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ

3、Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｉａｏｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ１２３０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｒｅｍｉｘｅｄａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ（ＡＷＪ）ｎｏｚｚｌｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｕｔｓｉｄｅＡＷＪｎｏｚｚｌｅｗｉｔｈｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ

4、．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｅｘｉｔｄｉａｍｅｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅｎｏｚｚｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌａｒｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅｎｏｚｚｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｉａｍｅｔｅｒｗｈｉｌｅｋｅｅｐｉｎｇｏｔｈｅｒｇｅｏｍｅｔｒｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｈａｎｇｅｌｅｓｓ．ＩｔｗｏｕｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅＡＷＪｖｅｌｏｃｉｔｙａｔｎｏｚｚｌｅｅｘｉｔｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｎｏｚｚｌｅｍｉｘｉｎｇｔｕｂｅｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃｕ

5、ｔｔｉｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅＡＷＪｉｓ２０～５０ｔｉｍｅｓｔｈｅｎｏｚｚｌｅｅｘｉｔｄｉａｍｅｔｅｒ．ＴｈｅＡＷＪｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｔａｒｇｅｔｒｅｓｕｌｔｓａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｏｎｔｈｅｗｈｏｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｍｉｘｅｄ；ａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ（ＡＷＪ）；ｎｏｚｚｌｅ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ磨料水射流（ＡｂｒａｓｉｖｅＷａｔｅｒＪｅｔ，简称ＡＷＪ）是将一定数量的磨料微粒与高压水互相混合而形成的液固两相射流．

6、在相对较低压力下，高压水的部分动能传递给磨料，从而把水射流对靶物的持续作用变为磨料粒子流对靶体的高频冲击、［１－２］磨削作用，提高了射流的品质和工作效率．ＡＷＪ切割装置包括泵站、增压装置、蓄能装置、切割喷嘴、磨料供应系统、导管和回收装置等，如图１所示．图１ＡＷＪ切割靶体前混合式磨料水射流从根本上改变了磨料与水介质的混Ｆｉｇ１Ａｂｒａｓｉｖｅｗａｔｅｒｊｅｔ（ＡＷＪ）ｃｕｔｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅ合机理，大大提高了能量传输效率．由于磨料射流基于流态化原理进行直接供料，磨料粒子从喷嘴喷出时收稿日期：２００８－０４－０８责任编辑：许书阁基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（５０４

7、９０２７５）作者简介：崔俊奎（１９７４—）男，内蒙古凉城人，副教授，博士研究生．Ｔｅｌ：０４１８－３３５０５１７，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｕｉｊｕｎｋｕｉ＠ｙａｈｏｏｃｏｍｃｎ第３期崔俊奎等：前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验４１１已经达到水流速度的９５％以上，高速度的磨料粒子冲击和切割破碎能力必然很强，切割物件所需的水压［３］［４－５］降低很多．近年来，前混合式磨料水射流的仿真与实验研究引起了国内外众多专家和学者的关注．１模型的建立磨料微粒与高速流动的水流互相混合而形成的液固两相介质射流属于两相流研究范畴，本文运