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《高壓水射流噴嘴內部流場的數值模擬》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、高壓水射流噴嘴內部流場的數值模擬鄒全樂1,2（ZS11120055）1中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇徐州2210082煤炭資源與安全開采國家重點實驗室江蘇徐州221008摘要：利用ANSYS軟件建立了高壓水射流噴嘴內部流場的三維數學模型。采用標準k-ε模型模擬了噴嘴的內部流場，并分析了噴嘴參數對流場速度分布及出口速度的影響。結果表明：隨著收縮角的增大，出口軸心速度先增加后減小。出口圓柱段的長度在一定范圍內對軸心出口速度影響不顯著。隨著出口直徑的增大，軸心出口速度逐漸減小。綜合分析后得到了最優(yōu)的參數組合。關鍵詞：噴嘴內部流場最優(yōu)組合數值模擬Numericalsimulationo
2、ninternalflowfieldinanozzlewithhighpressurejetABSTRACTAthree-dimensionalmathematicalmodelofinternalflowfieldinahigh-pressurenozzlewasestablishedwiththeANSYSsoftware.Usingthestandardk-εturbulentmodel,theinternalflowfieldinthenozzlewassimulatedandtheinfluenceofnozzleparametersonthevelocitycont
3、ourandoutletaxialvelocityoftheflowfieldwasstudied.Theresultsshowthattheoutletaxialvelocityincreasesbeforedecreasingastheconvergenceanglebecomesbigger.Thelengthofcylindersectionhaslittleeffectontheoutletaxialvelocitywithinacertainrange.Whentheoutletdiameterwasenlarged,theoutletaxialvelocitytu
4、rnedsmaller.Thebestcombinationofnozzleparameterswereobtainedaftercomprehensiveanalysis.KEYWORDSnozzle;internalflowfield;bestcombination;numericalsimulation高壓水射流技術是近20年發(fā)展起來的一門新技術，它是利用高壓水發(fā)生設備產生高壓水，通過噴嘴將壓力轉變?yōu)楦叨染奂乃淞?，能完成清洗、切割、破碎等各種工藝的技術。噴嘴是高壓水射流發(fā)生裝置的執(zhí)行元件，其作用是通過噴嘴內孔橫截面的收縮面的收縮，將高壓水的壓力能聚集起來，并轉化為動能
5、，最后以高速水射流的形式向外噴出，用以對物料進行清洗、破碎或切割。高壓水射流常涉及多相混合的介質射流，機理復雜。簡單的一維理論研究對噴嘴及其射流的真實流動進行描述，精確性受到很大的限制。而實驗方法會受到模型尺寸、流場擾動、測量精度的限制，有時很難通過實驗方法得到結果。近50年來隨著計算機技術和CFD理論研究的飛速發(fā)展，應用CFD方法進行多維數值模擬更具有準確、可靠、快速、方便的優(yōu)勢。本文采用ANSYS中的FLOTRANCFD模塊對高壓水射流噴嘴的內部流場進行數值模擬，研究噴嘴的各個幾何參數對噴嘴出口速度的影響規(guī)律，最后確定出最佳的參數組合。這對于取得理想的切割效果有著重要的意義
6、。1噴嘴結構及其參數圓錐收縮型噴嘴具有阻力系數小、速度系數及流量系數大、結構簡單、加工難度低、成本低的特點，因而適宜用于切割物料的設備中。如圖1示，其主要幾何參數包括：噴嘴的收縮角α、入口直徑D、出口直徑d、噴嘴長度L及噴嘴出口圓柱段長度S等。以上各個因素對噴嘴的切割性能均有較大的影響，主要表現在射流的出流速度上，即：出流速度越大，射流動能越大，切割性能越強。反之，則越弱。圖1圓錐型噴嘴結構示意圖2模型的建立2.1物理模型圖2為噴嘴內部結構的物理模型。取噴嘴長度L=25mm。當L、S、α、d均確定時，入口直徑D即確定。假設噴嘴的內介質為不可壓縮的清水且做湍流運動。本文主要探究噴
7、嘴參數S、α、d對噴嘴內部流場的影響規(guī)律。圖2噴嘴物理模型2.2控制方程射流在圓錐型收縮噴嘴內部的流動狀態(tài)為復雜的湍流流動，故選用連續(xù)性方程和N-S方程作為控制方程，并采用標準k-ε雙方程湍流模型建立封閉的控制方程組。（1）不可壓縮流體的連續(xù)性方程在空間直角坐標系中的表達式為:（2）不可壓縮流體的N-S方程在空間直角坐標系中的表達式為:（3）標準k-ε方程模型的湍動能k和耗散率ε方程為:式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能，Gb為由于浮力引起的湍動能，YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的
