水射流切割喷嘴结构参数数值模拟优化.pdf

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1、2014年1O月机床与液压Oct．2014第42卷第l9期MACHINETOOL＆HYDRAULICSVo1．42No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2014．19．029水射流切割喷嘴结构参数数值模拟优化张阳(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054)摘要：应用FLUENT模拟软件对影响喷嘴射流切割特性的喷嘴圆锥段收缩角、圆柱段出口直径及长径比进行了数值模拟研究。结果表明：出口直径为2mm、长径比为2、收缩角为10。的喷嘴轴向速度和射流冲击能量最大，切割能力最好；射流轴向速度在喷嘴圆锥收缩段急

2、剧增加，在圆柱段先增加后减小；射流冲击切割能量的最大值不是分布在冲击面上喷嘴对应的轴心处，而是在其半径方向的某一圆周上。关键词：数值模拟；喷嘴结构参数；收缩角；喷嘴直径；长径比中图分类号：TD231．42文献标识码：A文章编号：100l一3881(2014)19—110—3StructureParameterOptimizationofWaterJetCuttingNozzlebyNumericalSimulationZHANGYang(CCTEGXi’anResearchInstituteCo．，Ltd．，Xi’anShaanxi710

3、054．China)Abstract：Contractangleofconesegment，outletdiameterandlength—diameterratioofcylindersegmentinfluencedthejetcuttingpropertyofnozzlewerestudiedbynumericalsimulationusingsimulationFLUENT．Theresultsshowthat：nozzlewithoutletdiameteras2mm，length-diameterratioas2andcont

4、ractangleas10degree，hasthehighestaxialvelocityandlargestimpactenergy，aswellasgreatestcuttingcapability．Jetaxialvelocityincreasesrapidlyalongtheconecontractsegmentofnozzle，butincreasesfirstandthende—creasesalongthecylindersegment．Thelargestvalueofcuttingenergyofjetimpactdo

5、esnotdistributeattheaxiscenteroftheimpactplane，butonacircumferencealongtheradiusdirectionrespondingtothenozzle．Keywords：Numericalsimulation；Structureparameterofnozzle；Contractangle；Nozzlediameter；Length—diameterratioO前言如果采用试验的研究方法，需要加工大量不同参水射流切割技术具有高速、高能、无污染的特数的喷嘴，成本较大，且射

6、流流场特性的测量也存性，广泛用于石油开采、煤矿安全、机械切割、清洗在较大的难度。而CFD数值模拟技术很好地避免了等领域。而作为水射流切割设备中最重要的终端执行这些问题，通过FLUENT模拟不同结构参数的喷元件的喷嘴，其结构参数将最终决定水射流切割性能嘴对应的射流特性，能够定量地捕捉射流的速度的优劣。场、压力场，通过对比优化可获得最优的喷嘴结构目前最常用的喷嘴结构为圆锥型，对应的结构参数。参数如图1所示，图中O／为圆锥段收缩角，D为圆柱1CFD数值模拟模型的建立段直径，为圆柱段长度，是影响喷嘴射流切割性能CFD技术就是通过数值计算方法对流体

7、力学的最关键的3个参数。采用数值模拟的方法确定上述控制方程(包括动量守恒方程、能量守恒方程、连喷嘴结构参数对射流流场特性的影响规律，进而优化续性方程及，c—s方程等)进行求解，进而预测流场获得最优的喷嘴结构参数，能够实现在最小能耗下获得的流动特性，目前比较常用的CFD软件有FLUENT、最优的水射流切割能力的目标，满足节能减排的要求。CFX、PHOENICS等。文中采用FLUENT软件进行模拟，选择气一液两相VOF模型，按等温不可压缩湍流模型处理，并选用三维N．S方程作为连续相控制方程，由于在时均化处理后产生了附加雷诺应力项，造成方程不封

8、闭，因图1圆锥型喷嘴结构示意图此，补充标准，c一两方程湍流模型来解决方程的封收稿日期：2013—08—26基金项目：国家科技重大专项项目(2011ZX05041—003)；国家自然科学青年基金