高压水射流喷嘴的设计及其结构优化.pdf

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1、硕士专业学位论文论文题目高压水射流喷嘴的设计及其结构优化研究生姓名沈娟指导教师姓名卫瑞元专业名称机械工程研究方向机构分析与设计论文提交日期2014年4月高压水射流喷嘴的设计及其结构优化中文摘要高压水射流喷嘴的设计及其结构优化摘要喷嘴作为水射流切割系统的关键设备之一，对水射流的动力学性能和射流内部流场的分布有着重要的影响。好的喷嘴结构可以提高水切割的加工效率和加工精度。因此寻求更好的喷嘴结构和优化喷嘴的重要参数已经成为国内外学者研究的热点和难点。本论文首先从喷嘴的各主要参数着手，设计出五种不同流线的喷嘴流道，并建立了其各自的物理模型；然后分别对各喷嘴结构进行相同方式的离散化，

2、建立固-液二相流的模型和适合多相流模拟分析的VOF分析方法；最后通过SIMPLE计算方法，对喷嘴内部射流的压力和速度进行耦合。通过以上方法进行模拟分析后得出：喷嘴的过渡段长度对喷嘴的动力性能和喷嘴的内部流场影响比较大，对射流具有稳定作用，使得各喷嘴内部的动压力值是呈尖帽状分布。喷嘴的发散角对射流出口处的流场分布比较大，有发散角的喷嘴射流在出口处的分布相对无发散角的喷嘴要细致。过渡圆角对喷嘴的影响也较为明显，有过渡圆角的喷嘴的射流的核心段长度较无过渡圆角的射流的核心段长度要长。所以具有过渡段、发散角和过渡圆角的喷嘴结构的内部的流场特性最佳。这种喷嘴在出口处的径向速度较大，有利

3、于射流和磨料的充分混合，所以很适合作为后混合式水射流切割机喷嘴。最后本论文通过对喷嘴的主要参数之一的长径比做了详细的模拟分析，在喷嘴的过渡段直径不变的前提下，分别分析不同长径比下的喷嘴的各流场的分布情况。对比后得出在相同的情况下，喷嘴的长径比越大，喷嘴出口射流的集束性越好，动压力值和轴向速度越大，有利于切割加工。通过对喷嘴的其他主要影响因素喷嘴直径、过渡段直径、收缩角和发散角通过正交实验的方法，对其进行参数优化，从而得到相对最优化的喷嘴参数组合。关键字：喷嘴，水射流切割，固-液二相流，流场分析作者：沈娟指导老师：卫瑞元IAbstractHighpressurewaterje

4、tnozzledesignandstructuraloptimizationHighpressurewaterjetnozzledesignandstructuraloptimizationAbstractWaterjetcuttingnozzleasoneofthekeydevicesinthesystem,hasanimportantimpactonthedynamicperformanceanddistributionofthejetflowfieldinsidethenozzle.Goodnozzlestructurecanimprovetheprocessinge

5、fficiencyandaccuracy.Soithasbecomeahotanddifficultpartforscholarstoseekbetterstructurebyoptimizingthenozzleparameters.Inthisthesis,designedfivedifferentnozzlestreamlinesofflowchannelduringtothemainparametersandestablishedphysicalmodelforeachnozzle.Thendiscretizedeachnozzlestructureinthesam

6、eway,establishedasolid-liquidtwomultiphaseflowmode,atlastanalyzedthemwithVOFmethods.FinallyitcoupledthepressureandvelocityinsidethenozzlejetbySIMPLEcalculationmethod.Afterthesimulationabove,itcandrawthatthelengthofthetransitionsectionhasarelativelylargeinfluenceonthedynamicperformanceandth

7、eflowfieldinsidethenozzle.Itcanstabilizethejetandmakethepressureasacap-shapeddistribution.Thedivergenceangleofthenozzlehasarelativelylargeinfluenceondistributionofflowfieldattheoutlet.Thedistributionofthejetismoremeticulousthennodivergenceangle.Filletalsohasao