高压水射流喷嘴内部流场数值模拟

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1、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-ε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Numeric

2、alsimulationoninternalflowfieldinanozzlewithhighpressurejetABSTRACTAthree-dimensionalmathematicalmodelofinternalflowfieldinahigh-pressurenozzlewasestablishedwiththeANSYSsoftware.Usingthestandardk-εturbulentmodel,theinternalflowfieldinthenozzlewassimulatedandtheinfluenceofnozzlep

3、arametersonthevelocitycontourandoutletaxialvelocityoftheflowfieldwasstudied.Theresultsshowthattheoutletaxialvelocityincreasesbeforedecreasingastheconvergenceanglebecomesbigger.Thelengthofcylindersectionhaslittleeffectontheoutletaxialvelocitywithinacertainrange.Whentheoutletdiame

4、terwasenlarged,theoutletaxialvelocityturnedsmaller.Thebestcombinationofnozzleparameterswereobtainedaftercomprehensiveanalysis.KEYWORDSnozzle;internalflowfield;bestcombination;numericalsimulation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

5、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FLOTRANCFD模块对高压水射流喷嘴的内部

6、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α、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

7、2为喷嘴内部结构的物理模型。取喷嘴长度L=25mm。当L、S、α、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、α、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-ε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-ε方程模型的湍动能k和耗散率ε方程为:式中：Gk为

8、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