空化射流喷嘴结构参数的优化.pdf

空化射流喷嘴结构参数的优化是水射流技术中的一个重要研究方向，因其能显著提升射流效率和冲蚀能量，在多个工业领域如开采钻探、材料破碎、工业清洗等有着广泛的应用。本文深入探讨了空化水射流的工作原理，通过结合空化理论与Fluent软件的流体数值模拟，对喷嘴模型进行了深入研究，以寻找最优的结构参数配置。 空化水射流技术依赖于水在高压下通过喷嘴形成空泡，空泡破裂时产生的巨大冲击力增强射流作用。在本文的研究中，选用Mixture模型来处理多相流，选择Singhal模型描述空化过程，RNGκ-ε湍流模型用于模拟湍流现象，同时设定瞬态时间步长为1e-4s，这些参数的选取为模拟空化射流的内部流场提供了基础。通过Fluent的数值模拟，研究人员获得了液相云图、压力分布和速度分布等关键数据，这些信息对于理解喷嘴内部流动特性以及指导结构优化至关重要。 实验部分，研究者设计并加工了多种尺寸参数的喷嘴，入口压力设定为35MPa，使用1600铝合金作为实验材料。通过调整喷嘴配比和靶距，分析不同条件下射流的冲蚀效果。实验发现，中心冲蚀斑点是由高速水流直接冲击造成的，而冲蚀圆环外围的凹坑则是空化效应的结果。在合理的冲蚀靶距S范围内，最佳的冲蚀效果出现在S为70mm到120mm之间。 此外，针对不同下喷嘴直径（1.2mm、1.4mm、1.5mm），综合考虑冲蚀圆环外直径、冲蚀圆环面积和冲蚀凹坑密度，优化得到的喷嘴配比分别为1.2-9.6-9.6-2-6-6、1.4-12-12-3-12-12和1.5-12-12-3-6-6。实验结果表明，喷嘴的直径d、喉部直径D和喷嘴长度L对冲蚀效果的影响最大，其次是扩散段直径dc、下游段长度Ds和侧边长度Ls。总结得出，下喷嘴直径d与喉部直径D及喷嘴长度L的理想比例约为1:8:8。 总体来看，该研究通过理论模拟与实验相结合的方式，深入探讨了空化射流喷嘴的结构参数对冲蚀性能的影响，优化出了最优的喷嘴设计，验证了空化射流的高效性，并为实际应用提供了理论依据和设计参考。这些研究成果对于提升空化水射流技术的效率和应用范围具有重要的实践意义。