基于Solidworks的水力割缝喷嘴特性数值模拟
基于SolidWorks和ANSYS的植保无人机喷头结构参数设计与仿真
文章编号：1673-887X(2023)08-0040-03基于SolidWorks 和ANSYS 的植保无人机喷头结构参数设计与仿真高伟（大同市农业机械发展中心，山西大同037000）摘要为优化植保无人机的喷头，利用SolidWorks 建立了四旋翼植保无人机的喷头模型，仿真分析了药液流动时喷头内壁所受压力大小与药液速度分布，利用ANSYS 软件分析喷头气液喷洒情况，确定了航高2~6m、喷幅3m 的条件下，切槽深度为2.53mm、喷孔直径为3mm、过心距为0.65mm 和切槽角度为42°，能够满足植保无人机作业要求。
关键词SolidWorks；ANSYS；植保无人机；设计与仿真中图分类号[S224.3]文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.08.013Design and Simulation of Sprinkler Structure Parametersof Plant Protection UAV Based on SolidWorks and ANSYSGao Wei(Datong Agricultural Machinery Development Center,Datong 037000,Shanxi,China)Abstract ：In order to optimize the sprinkler head of the plant protection drone,the sprinkler head model of the four-rotor plant pro ‐tection drone was established by using SolidWorks.The pressure on the inner wall of the sprinkler head and the distribution of the liq ‐uid speed were simulated and analyzed.The gas-liquid spraying situation of the sprinkler head was analyzed by using ANSYS soft ‐ware,and the flying height was 2~6m and the spray width was 3m.The grooving depth is 2.53mm,the diameter of the jet hole is 3mm,the centroid distance is 0.65mm and the grooving Angle is 42°,which can meet the operation requirements of the plant protec ‐tion UAV.Key words ：SolidWorks,ANSYS,plant protection drone,design and simulation农业作为第一产业，是人们生活生存的基础，保障了我国社会经济的稳步发展。
水力割缝参数优化数值模拟研究
中图分类号：ＴＤ７１２．６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－０５０６（２０１９）０５－００１８－０６
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｕｔｔｉｎｇｓｅａｍ
ＬｉＸｉｎｇ１，ＬｉＳｈｕｑｉｎｇ２，３，ＴａｎｇＺｈｕ３，ＤｕＳｈａｏｈｕａ２，４
摘要：利用 ＦＬＡＣ３Ｄ软件建立水力割缝模型，针对某掘进工作面，选取其正前方 １２ｍ处截面为研究对 象，在缝槽高度和深度不变的情况下，模拟了单缝槽、双缝槽和多缝槽 ３种不同宽度缝槽的割缝方案， 得到了瓦斯抽采钻孔割缝前后煤体内部应力变化和竖直位移变化、垂直于割缝钻孔上方煤体的下沉 量及塑性区破坏情况。结果表明：当缝槽宽度为 ２０００ｍｍ时，割缝钻孔的卸压效果明显，煤体下沉量 较大，钻孔周围塑性区破坏较大，钻孔的稳定性最好。 关键词：水力割缝；参数优化；瓦斯抽采；钻孔卸压
雨水口泄流特性的三维数值模拟研究
对 雨 水 口 泄 流 过 程 的 认 识 ，为 城 市 防 洪 减 灾 提 供 定 量 依 据 。
基于Fluent的水力割缝喷嘴轴心间距优化
（ 2012 － 11 ）
· 13·
基于 Fluent 的水பைடு நூலகம்割缝喷嘴轴心间距优化
1， 2 1， 2 段永生 ， 林柏泉 ， 翟 1， 2 1， 2 成 ， 张其智
( 1． 中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221008 ; 2． 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221008 )
基金项 目： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ 973 计 划 ） 资 助 项 目 （ 2011CB201205 ） ； 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验 室自主研究基金资助项目（ SKLCRSM08X03 ）
使煤层的煤体物理性质发生改变， 原始应力重新分 布进而增强煤层的透气性。水力割缝的效果与水射 流的破煤岩效果有很大关系， 水射流破煤岩效果与 、 射流 射流流场分布 射流流速和射流冲击压力有关， 喷嘴在钻头上的分布对钻孔内射流的发展又有较大 的影响。通过直接测试射流的流场与压力的分布状 态非常困难， 因此探索合适的数值模拟方法进行射 流流场与压力分布的数值模拟， 对研究喷嘴间距对 射流流场、 流速以及冲击压力的影响情况具有重要 意义。笔者选用适应性较强的 Stander 模型， 对不同 喷嘴轴线间距的射流流场、 流速和钻孔壁面压力进 探索喷嘴间距对射流的扰动影响 。 行数值模拟， 1 1． 1 模型的建立 喷嘴参数的选取
要： 利用 Fluent 软件建立了不同喷嘴轴心间距下 水 力 割缝 的数学模 型， 采用 标准 k － ε 湍 流 模型模拟了钻孔内部流场， 并分析了喷嘴轴线间距对射流流场分布、 轴心速度衰减和钻孔壁面压 摘 力分布的影响。研究结果表明: 该影响较大， 喷嘴 轴 心 间 距越小， 射 流流 场 分 布越紊乱。 随着 喷 嘴轴心间距 d 的增大， 射流流场 分 布 规律 性 逐渐 明 显， 且 轴 心 速 度 衰减呈 现 先减小后 增 大的 趋 势， 喷嘴轴心间距的最佳值为 40 mm。 关键词： Fluent; 射流; 数值模拟; 喷嘴轴心间距; 水力割缝
水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证
研究与开发合成纤维工业,2023,46(6):20CHINA㊀SYNTHETIC㊀FIBER㊀INDUSTRY㊀㊀收稿日期:2023-01-15;修改稿收到日期:2023-08-12㊂作者简介:赵博(1966 ),男,副教授,博士(后),研究方向是新材料㊁新技术和新工艺等㊂E-mail:zhaobohenan@㊂基金项目:河南省自然科学基金资助项目 面上项目(162300410343);河南省高等学校重点科研项目(16A540009)㊂水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证赵㊀博(中原工学院,河南郑州450007)摘㊀要:以水刺加固喷嘴高速射流对聚合物纤维进行水力缠结加固成形的过程为研究对象,通过建立水刺加固喷嘴喷射流场理论模型,经过数值模拟研究了4个不同水刺加固喷嘴高压喷射流场的运动特征,并与粒子图像测速仪系统测试的结果进行了对比㊂结果表明:采用Realizable k-ε湍流模型描述水刺工艺水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法有效,与实验测试值十分吻合;适当增大喷嘴喷口的高度,可使流体在喷嘴喷口轴向方向的速度增大;适当增大射流初始段的长度,可使流体的流量和压力增大,提高水刺非织造纤维网缠结效果;随着射流过渡段长度的增大,混合段(即过渡段和充分发展段)出口压力增大,喷射流体的速度增大,纤维网所受到的冲击力增大;适当减小喷嘴过渡段高度,混合段出口处压力增大,可以实现较大范围内喷射流体速度的增大,改善水刺非织造纤维网缠结效果㊂关键词:水刺非织造布㊀喷嘴㊀流场模拟㊀验证中图分类号:TQ340.1+5㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001-0041(2023)06-0020-05㊀㊀水刺非织造工艺又称为射流喷网或水力缠结工艺,是一种非织造布加工技术,近年来发展较快[1-2]㊂水刺加固喷嘴作为水刺非织造布工艺的核心组件,其作用是将高能量水流转换成高速㊁微细㊁集束水针作用于纤维网,实现纤维网的缠结加固[3],因此,对水刺加固喷嘴高速喷射流场进行研究,揭示水刺加固喷嘴高速喷射水流对聚合物纤维的水力缠结加固机理非常有必要㊂速度是水刺加固喷嘴高速喷射流场最重要的特征参数之一,其测量除了包括某一点的速度大小和方向,还包括局部或整个流场的速度分布,因此,准确获取流场的速度场难度较大,测量仪器不仅需要较高的准确度㊁精确度,而且还要具有很好的响应特性[4]㊂流场模拟是研究流体运动规律及进行流体设备设计的一项非常关键的技术手段[5-6],可以对流场内部的压力分布㊁速度变化㊁温度场及流体之间的相互作用等情况进行数值计算,且无需进行实际的物理试验,目前已广泛应用于化工化纤㊁航空航天㊁汽车㊁船舶㊁风力发电等许多领域,已经成为现代流体工程研究不可或缺的工具㊂作者以水刺加固喷嘴高速射流对聚合物纤维进行水力缠结加固成形的过程为研究对象,通过建立水刺加固喷嘴喷射流场理论模型,经过数值模拟和实验测试等,研究了流体在水刺加固喷嘴高压射流场作用下的运动特征㊂1 水刺非织造布工艺原理水刺法是利用水刺加固喷嘴高速射流对纤维进行水力缠结加固的一种非织造加工技术,水刺工艺流程见图1㊂图1㊀水刺工艺流程示意Fig.1㊀Schematic diagram of spunlace process1 动态水腔;2 均流腔;3 密封腔;4 喷水板;5 纤维网;6 输网帘;7 滚筒;8 密封装置;9 真空吸水箱㊀㊀纤网经由托网帘进入到水刺区后,高压水流形成连续的 水针 ,水针呈圆柱状,经水刺头㊁水针板垂直的射向纤网;在这个过程中,纤维从表面被水针带入网底,并形成缠结;水针穿透后形成不同方向的反射,使得纤网受到不同方向水针的穿射,因此,纤网在整个水刺的过程中受到正反面水柱的双重作用,形成方向不同的缠结,这种缠结是无规则的,达到了加固的作用,从而形成水刺非织造布[7]㊂由于水刺非织造布设备高压水腔内部喷嘴的水流具有较高的压力,通常在3~60MPa,并且流动区域呈不规则形状,因此,水腔内喷嘴的流场流动明显为湍流流动㊂2㊀水刺加固喷嘴喷射流场模型水刺加固喷嘴喷射流场理论模型由控制方程(连续方程㊁动量方程㊁能量方程)㊁输运方程及边界条件组成[8]㊂2.1㊀控制方程根据水刺加固喷嘴三维喷射流场的特点,当考虑瞬态项时,连续方程见式(1),x方向的动量方程见式(2)㊁y方向的动量方程见式(3),能量方程见式(4)㊂∂ρ∂t+∂(ρu)∂x+∂(ρv)∂y=0(1)∂(ρu)∂t+∂(ρuu)∂x+∂(ρuv)∂y=2∂∂x(μ+μt)∂u∂x+∂∂y(μ+μt)∂u∂y+∂v∂x()-∂p∂x+S u(2)∂(ρu)∂t+∂(ρvu)∂x+∂(ρvv)∂y=∂∂x(μ+μt)∂u∂y+∂v∂x()+ 2∂∂y(μ+μt)∂v∂y-∂p∂y+S v(3)∂(ρT)∂t+∂(ρuT)∂x+∂(ρvT)∂y=∂∂xμ+μtσt()∂T∂xéëêùûú+∂∂yμ+μtσt()∂T∂yéëêùûú(4)式中:ρ为流体密度,t为时间点,u为x方向的流动速度,v为y方向的流动速度,T为温度,μ为动力黏度,μt为湍流黏性系数,σt是t的湍流普朗特数,S u㊁S v是广义源项㊂当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(1)㊁式(2)㊁式(3)㊁式(4)的首项即是考虑稳态项时相应的连续方程㊁x方向的动量方程㊁y方向的动量方程㊁能量方程㊂2.2㊀湍流模型由于水刺加固喷嘴的喷口喷射出的水流速度比较高,流体的雷诺数较高,故水刺非织造水腔内的喷嘴在喷射过程中高速水流的流动特征属于湍流状态,所以还需遵守湍流输运方程㊂k-ε模型是工业流动计算中应用最为广泛的湍流模型,包括标准k-ε模型㊁RNG k-ε模型㊁Realizable k-ε模型三种形式[9-10]㊂标准k-ε模型是应用范围最广的模型,其优点是只需提供初始条件和边界条件,模型比较完善,缺点是在一些重要场合表现较差,如无约束流㊁大应变流㊁旋转流等㊂RNG k-ε模型通过修正湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转和旋转流动情况,主要用于描述高应变率和流线弯曲程度较大的复杂湍流运动㊂Realizable k-ε模型引入了与旋转和曲率有关的内容,主要用于描述包括旋转均匀剪切流㊁边界层流动和分离流㊁二次流等复杂湍流运动㊂考虑到水刺非织造布高速喷射流场是黏性流体的定常运动,存在边界层流动,故采用Realiza-ble k-ε模型描述湍流运动㊂当考虑瞬态项时,引用封闭方程,输运方程相关的湍流动能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程见式(5)㊁式(6)㊂∂(ρk)∂t+∂∂x i(ρku j)=∂∂x i[(μ+μtσk)∂k∂xj]+G k-ρε-Y M(5)∂(ρε)∂t+∂∂x i(ρεu j)=∂∂x i[(μ+μtσε)∂ε∂xj]+ρC1Sε-ρC2ε2k+νε(6)式中:μj为黏性系数分量,σk和σε分别为k和ε的湍流普朗特数,x i㊁x j为各坐标分量,G k是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,G b是由于浮力引起的湍动能k的产生项,Y M代表可压湍动中脉动扩张的贡献,S为广义源项,C1取max[0.43,η/(η+5)],η为Sk/ε,C2取1.9,σk取1.0,σε取1.2㊂当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(5)㊁式(6)的首项即是考虑稳态项时相应的k方程和ε方程㊂2.3㊀边界条件水刺加固喷嘴的几何形状示意如图2所示㊂一般来说,沿着喷嘴的高速射流方向,喷嘴的射流长度包括三段:a是射流的初始段(收缩段)喷口12第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀赵㊀博.水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证长度,b 是射流的过渡段(稳定段)长度,c 是射流的充分发展段(渐扩段)长度㊂(h 1-h 2)为水刺加固喷嘴过流段的高度之差,e 为水刺加固喷嘴喷口的宽度,f 为水刺加固喷嘴喷口的高度㊂在初始段内,较大的截面逐渐过渡到较小的截面,射流轴线上的速度仍然保持射流的平均速度,当喷嘴断面面积很小时,认为该断面上的射流速度大小处处相同,方向一致,即仅存在沿着射流的轴向方向的速度分量;在紧邻初始段的过渡段存在着射流流束段,射流速度剖面形状沿轴向存在着明显的变化;在射流的充分发展段,该段流道的截面迅速扩大,使流道内流体得到快速扩散,速度剖面形状符合射流自相似规律㊂图2㊀水刺加固喷嘴的几何形状示意Fig.2㊀Geometric diagram of nozzle for spunlacing process㊀㊀水刺非织造水腔内的喷嘴喷射过程中,高速射流从长宽比值很大的喷嘴中喷射出来后形成平面湍流射流,所以水刺非织造水腔内的喷嘴所产生的射流沿着喷嘴的中心线是对称的,上游断面取在喷嘴入口的前缘,下游断面取在离喷嘴的喷口前缘之处,射流的外渗入边界取在离喷嘴中心线的足够远处㊂因此,水刺非织造水腔内的喷嘴相应的边界条件为:在进口边界上,u ,v 和T 随着y 的分布给定;在固体壁面上,u 为0,v 为0,T 为壁面温度;在对称线上,在垂直边界上的速度均为0,见式(7),其他物理量的值在该边界内外相等;在出口边界上,所有变量(压力除外)在流动方向上无梯度变化,见式(8)㊂∂u ∂y =0,∂T∂y =0,v =0(7) u x = v x = k x = ε x = T x=0(8)3㊀水刺加固喷嘴喷射流场模型数值模拟在流场数值模拟计算过程中,采用常规的数值方法直接求解控制方程,会出现不少问题和困难,为了解决这个问题,引入了SIMPLE 算法,主要包括基于交错网格和基于同位网格的算法,该算法不必为速度和压力构建不同的控制体积,编程时十分简单,适合于复杂问题的计算㊂在不考虑聚合物纤维对水刺加固喷嘴高压喷射流场影响的条件下,以水刺加固喷嘴高速喷射水流的速度为进口的边界条件,出口边界条件为自由出流,壁面采用无滑移条件,采用基于交错网格的SIMPLE 算法,通过Fluent 6.0流体力学软件对4个水刺加固喷嘴的喷射流场(不考虑瞬态)进行了数值模拟计算㊂4个水刺加固喷嘴的主要设计参数见表1(设计参数按实际应用水刺喷嘴相应的尺寸放大4倍),流体初始速度10m /s,流体初始温度为室温㊂表1㊀水刺加固喷嘴的主要设计参数Tab.1㊀Main design parameters of nozzles forspunlacing process喷嘴a /cm b /cm c /cm e /cm f /cm (h 1-h 2)/cm 1#20224624.018.0 6.0-2.02#16225020.016.08.0-2.03#20442416.014.08.0-8.04#24402412.012.08.0-2.6㊀㊀根据数值模拟结果绘出的喷射流场相应的速度分布场见图3㊂从图3可以看出:流体从水刺加固喷嘴的喷孔喷出后,形成一股平面湍流射流,这股射流在水刺加固喷嘴的轴线方向上都保持着较高的射流喷射速度(以高速微细水针的形式),并沿着水刺加固喷嘴的水平轴向方向有规律的平行分布;f 增大,混合段(即过渡段和充分发展段,该段也称为射流主段)出口的压强增大,在喷嘴轴向方向的速度增大,可使水刺加固喷嘴喷射出的流体以高速水针的形式冲击纤维网,确保纤维在高速水针的冲击作用下相互缠结,从而使松散的纤维网成为具有一定力学性能的水刺非织造布,但f 过大,会使喷射流体的功率增大,导致水刺加固喷嘴喷射的流体消耗量增加,而f 过小,不仅喷嘴加工的难度会增大,而且进入喷嘴流道的流体流量和能量也会降低,导致水刺非织造纤维网缠结效果不良,影响水刺布的力学性能;适当增大a ,喷嘴中的流体流量增加,喷嘴喷口的压力增大,喷射射流的速度加快,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;b 增大,混合段出口处的压强增大,纤维网受到的冲击力增大,有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果,但b 过大,喷嘴中的流体摩擦阻力增大,喷射流体速度降低,会使纤维22㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷网受到的冲击力减小,不利于提高纤维网的纤维缠结效果,而b 过小,纤维网受到的冲击力则变小;适当减小(h 1-h 2),虽然喷嘴的喷射流场能够保持较高速度的区域要比(h 1-h 2)大的喷嘴小一些,但是在喷嘴喷孔的轴线方向的相同位置上却具有比较大的喷射速度,这有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果㊂图3㊀不同水刺加固喷嘴喷射流场的速度分布场Fig.3㊀Velocity distribution field of jet flow fieldof nozzles for spunlacing process4 水刺加固喷嘴喷射流场模型的验证为了验证数值模拟求解结果的有效性和准确性等,采用丹麦Dantec 公司的PIV-2100型粒子图像测速仪对4个喷嘴(由于采用快速直接成型和快速成模拟加工实验用水刺加固喷嘴的技术和条件不具备,水刺加固喷嘴采用透明有机玻璃制造而成)所形成的喷射流场进行了测试㊂空气从风机出来,并由调频仪器控制,以达到所需要气流的速度,然后进入水刺加固喷嘴㊂对于每一个水刺加固喷嘴,通过调频仪器控制空气的流量,使气流初始速度达到所需要的值,流体初始速度10m /s,初始温度保持室温㊂风机的风量为1200~3000m 3/h,风压为400~420mm 水柱,风机转速为2800~3200r /min㊂油烟粒子由烟雾发生器控制,粒子直径小于5μm [11]㊂粒子图像测速仪测试结果及其理论模型数值模拟结果见图4㊂图4㊀不同水刺加固喷嘴x 方向喷射速度沿对称线分布的实测值与计算值Fig.4㊀Measured and calculated values of x-direction jet velocitydistribution of spunlacing nozzles along symmetrical lineʏ 实测值;Ә 计算值32第6期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀赵㊀博.水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证㊀㊀从图4可以看出,水刺加固喷嘴高速喷射流场中的速度数值模拟计算值与实验测试值十分吻合,这说明了采用建立的Realizable k-ε湍流模型去描述水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法也有效㊂5㊀结论a.采用Realizable k-ε湍流模型描述水刺非织造水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法有效,与实验测试值十分吻合㊂b.适当增大f,可使流体在喷嘴喷口轴向方向的速度增大,在水刺加固喷嘴喷口中心线两侧的分布梯度也增大,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;适当增大a,可以使流体的流量和压力增大,提高水刺非织造纤维网缠结效果;随着b的增大,混合段出口压力增大,喷射流体的速度增大,纤维网所受到的冲击力增大;适当减小(h1-h2),混合段出口处压力增大,可以实现较大范围内喷射流体速度的增大,使纤维网所受到的冲击力增大,改善水刺非织造纤维网缠结效果㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀郝景标,王勇.水刺工艺对非织造布产品性能的影响[J].化纤与纺织技术,2022,51(8):22-25,87.[2]㊀安琪,李朝威,杨立双,等.水刺非织造医用绷带基布的性能研究[J].产业用纺织品,2022,40(5):18-22,28. [3]㊀赵博.水刺法非织造布生产中纤网射流喷嘴对射流性能的影响[J].非织造布,2006(6):18-21.[4]㊀马建鑫,陈永当,程云飞,等.喷孔锥度对喷气织机环槽型辅助喷嘴性能的影响[J].轻工机械,2023,41(2):42-47. [5]㊀高召涛.超临界二氧化碳喷染实验及流场模拟研究[D].济南:山东大学,2022.[6]㊀刘薇娜,刘亮,王国庆.空气净化器的流场模拟与模型优化[J].机械设计与制造,2023(7):177-181.[7]㊀赵博.水刺非织造布纤维缠结效果的影响因素及评价方法[J].合成纤维工业,2021,44(5):47-50.[8]㊀赵博.纺黏非织造牵伸器喷射流场理论模型的建立[J].聚酯工业,2009,22(5):5-9.[9]㊀王向钦.水刺高压水腔流场分布及其对非织造材料性能和工程能耗影响的研究[D].上海:东华大学,2013. [10]韩万里,谢胜,王新厚,等.熔喷气流场中的纤维运动模拟与分析[J].纺织学报,2023,44(1):93-99.[11]赵博.测速仪在熔喷和纺黏流场中的应用[J].聚酯工业,2009,22(4):11-14.Numerical simulation and verification of high-speed jet flowfield of nozzles for spunlacing processZHAO Bo(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou450007)Abstract:Taking the hydroentanglement and reinforcement process of polymer fibers by high-speed jet of spunlacing nozzle as the research object,the motion characteristics of high-pressure jet flow field of four types of spunlacing nozzles were studied by numerical simulation based on the established jet flow field theoretical model of spunlacing nozzle and were compared with the test results of particle image velocimeter system.The results showed that the Realizable k-εturbulence model correctly described the jet flow field of the nozzle in the water chamber of spunlacing process and the established numerical simulation calculation method was effective and provided the values in good agreement with the experimental test values;the axial velocity of the fluid at nozzle ejector could be increased by appropriately increasing the height of the nozzle ejector;the flow rate and pressure of the fluid could be increased and the entanglement effect of spunlaced nonwoven fiber network could be improved by appropriately increasing the initial section length of the jet;the outlet pressure of the mixing section(i.e.transition section and fully developed section)in-creased,the jet fluid velocity increased,and the impact force on the fiber network increased with the increase of the length of the jet transition section;and the jet fluid velocity could be increased in a large range and the entanglement effect of the spunlaced nonwoven fiber network could be improved by appropriately reducing the height of the nozzle transition section and increasing the outlet pressure of the mixing section.Key words:spunlaced non-woven fabric;nozzle;flow field simulation;verification42㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2023年第46卷。
前混合水射流喷嘴流场的数值模拟简
前混合水射流喷嘴流场的数值模拟简董星;刘雨庆;李金林【摘要】为了获得前混合水射流喷嘴内外流场的流动特性,利用Fluent软件对喷嘴内外流场进行数值模拟。
根据射流特性,数值模拟中湍流模型选用标准k-ε模型,液固两相流动采用欧拉模型,分析不同喷丸压力下水流场和弹丸流场最大轴向动压强和最大轴向速度的变化规律以及外流场中不同靶距对流场轴向速度的影响。
结果表明:在内流场,喷嘴出口处流场最大轴向动压强和最大轴向速度随着喷丸压力的增加而增大,且同一喷丸压力条件下水流场最大轴向动压强小于弹丸流场最大轴向动压强,水流场最大轴向速度大于弹丸流场最大轴向速度;在外流场,水流场和弹丸流场最大轴向速度随着靶距的增加而减小。
【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】6页(P558-563)【关键词】前混合水射流;喷嘴;流场;数值模拟【作者】董星;刘雨庆;李金林【作者单位】黑龙江科技大学机械工程学院【正文语种】中文【中图分类】TP69前混合水射流喷丸强化技术是近十几年来迅速发展起来的一项新技术，它的应用范围日益广泛，目前已应用在机械、水力及石油等众多领域[1-3]。
其基本原理是将前混合水射流携带的巨大能量以特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变，呈现出理想的组织结构和残余应力分布，以达到提高零构件周期疲劳强度及抗应力腐蚀的目的[4]。
喷嘴是前混合水射流喷丸强化系统中将工作介质的压能转化为动能的关键元件，其性能直接影响射流品质和喷丸强化质量。
喷嘴流场始终是水射流工作者研究的热点问题之一。
但由于喷嘴喷出的混合水射流是紊态的复杂流动，所以理论分析难以求得高精度的解析解，实验测量难度较大、成本高，而计算流体动力学的发展为解决这一问题提供了有效方法[5-8]。
因此，笔者应用Fluent软件对喷嘴全流场进行数值模拟，探究喷丸压力及靶距对水流场和弹丸流场的影响，拟为研究前混合水射流喷丸强化喷嘴流场流动特性提供技术基础。
基于Fluent的辅助喷嘴气流流场数值模拟
基于Fluent的辅助喷嘴气流流场数值模拟
陈革;吴重敏;沈军;罗军
【期刊名称】《纺织学报》
【年(卷),期】2010(031)008
【摘要】为研究喷孔形状对喷气织机辅助喷嘴喷射效果的影响,利用Solidworks 建立辅助喷嘴喷射流道的几何模型,并通过Fluent采用RNG k-ε二方程湍流模型对高压高速可压缩的气流三维模型进行数值模拟.模拟结果表明,对于等效温度下的高压理想气流,在相同供气压力下,随着辅助喷嘴管内截面积的减小,管内气体速度反而增加,所研究的4种孔型的辅助喷嘴气流射出能力依次为7圆孔型>单矩形孔型>双圆孔型>单圆孔型.模拟结果可对喷气织机辅助喷嘴的优化提供参考.
【总页数】4页(P122-124,129)
【作者】陈革;吴重敏;沈军;罗军
【作者单位】东华大学,纺织装备教育部工程研究中心,上海,201620;东华大学,纺织装备教育部工程研究中心,上海,201620;中国纺织机械股份有限公司,上海,200090;中国纺织机械股份有限公司,上海,200090
【正文语种】中文
【中图分类】TS103.3
【相关文献】
1.基于Fluent低压旋流喷嘴下游流场数值模拟及分析 [J], 董星涛;李超;朱健;付方凯;洪张舟
2.基于Fluent的可吸收缝合线射流喷嘴的流场数值模拟 [J], 隋修武;王硕;李瑶;胡秀兵
3.基于FLUENT的喷气织机主喷嘴内部气流场三维数值分析 [J], 郭杰;冯志华;曾庭卫
4.基于FLUENT的喷气织机主喷嘴气流场分析 [J], 袁东栩;袁渊;冯志华
5.基于Fluent的除鳞喷嘴内部流场数值模拟 [J], 付曙光;卢云丹;程翔
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新型水力喷砂割缝工艺技术试验研究
246水力喷砂割缝工艺技术是石油开采领域的一种增产、增注措施工艺技术。
它利用高压磨料砂液在套管内壁处根据需要喷射切割出多条长20cm 、宽1～2cm的长缝，高压磨料砂液切割套管同时继续向地层深部进行深穿透切割射孔，深约1m，从而大大增加了油井泄油半径，增大了油气渗流面积，使地层深部能量与井筒得到沟通。
因此，对油井近井地带堵塞的解除、提高薄层开发、注聚高压井的增注方面效果显著。
它不但可作为一种完井方法代替常规射孔完井，也可作为常规射孔完井的生产井后续开发的补充。
1 技术现状水力喷砂割缝技术最早由前苏联研究并发展完善的一项提高油气产量新技术。
实施水力喷砂割缝技术需要压裂车、混砂车及井下工具，因此施工成本高、组织调配设备难。
割缝所需射流喷射压力一般为25～30MPa，由于高压射流液中含有硬度较高的石英砂，喷枪内的喷嘴磨损较快。
因此，一般掺入砂比较低，体积比为4%～5%。
喷嘴受制造工艺影响，耐磨硬度不够，若喷射时间过长，喷嘴耐受不住高压磨损，喷嘴孔径逐渐扩大，最后失去喷射能力，1个喷嘴只能割1～2个缝，若施工井段需要割多条缝，则需反复提出井下工具，更换喷嘴。
井下喷枪匀速下放，是保证割缝的缝宽、缝深均匀的关键环节。
早期利用作业机吊装油管进行慢速下放。
一般作业机下放速度太快，导致井下喷枪没有足够时间对套管进行开孔及地层割缝，地层深穿透深度不够，影响整体施工效果。
2 新型喷砂工艺系统的研制2.1 小型压裂混砂配液系统的研制为便于灵活施工，不受大型设备投资、租赁限制，特殊设计了小型压裂混砂配液系统，它包括高压泵注小型压裂橇、混砂配液橇。
压泵注小型压裂橇的技术特点是泵出压力高（110MPa）、排量低（50L/min），因此压裂橇比常规压裂车相比体积小、成本低，施工灵活。
2.2 新型喷砂割缝工具的研制割缝工具由油管传输下入井中，当割缝工具送到设计位置后，油管悬挂在井口处，井口密封，不在动用作业机及管柱操作。
地面泵入液压，当泵压为20～40MPa的水流下，含砂高压水到达喷枪底端的引鞋处，引鞋内部有单流阀钢球，水流只能从喷枪的喷嘴射出。
几种空化喷嘴流场的数值模拟
几种空化喷嘴流场的数值模拟姚立明;赵怡;李大尉;裴禹;姚鸿宾;赵孟石【摘要】为研究锥形喷嘴、角形喷嘴等喷嘴的出口流道形状对空化射流空化效果的影响,建立了喷嘴的物理模型和数学模型.采用Fluent软件对锥形、角形、收缩形、收缩-扩张形四种喷嘴的空化射流实验装置中的流场进行了数值模拟,通过对流场的压力、速度和空化情况的分析,认为具有扩散形出口流道的空化喷嘴的空化效果最好.计算结果可以为空化喷嘴的设计提供指导.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2015(033)001【总页数】5页(P20-24)【关键词】空化喷嘴;扩散形喷嘴;角形喷嘴;流场;数值模拟【作者】姚立明;赵怡;李大尉;裴禹;姚鸿宾;赵孟石【作者单位】黑龙江省科学院高技术研究院,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院,黑龙江哈尔滨150001;黑龙江省科学院高技术研究院,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心,黑龙江哈尔滨150020;黑龙江省科学院高技术研究院,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心,黑龙江哈尔滨150020;哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心,黑龙江哈尔滨150020【正文语种】中文【中图分类】TD431.3早在50 年代，前苏联、中国和美国就开始利用低压大流量水射流进行水力采煤试验和应用，并对连续射流进行了一系列试验和理论研究。
此后，发达国家逐渐将射流技术推广到其他工业领域［1］。
至80 年代，射流技术已经被广泛应用到工业切割、石油钻井、化工清洗等行业中。
现今美国飞机制造、汽车制造和建筑公司没有不用水切技术的。
在我国，喷射钻井技术被石油部指定为普及推广的新技术。
而在美国清洗业中，石油化工企业的换热设备有80%都采用高压水射流清洗。
毫无疑问，当今水射流技术以其效率高，能耗少，改善工作环境等特点，日益受到人们的重视。
基于CFD的矿石分选机喷嘴仿真研究
基于CFD的矿石分选机喷嘴仿真研究
邓星星;陈锐
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2024(53)4
【摘要】针对矿石分选机喷吹分离系统的喷嘴在分选矿石时喷吹效果不好、耗气量大等问题,以收缩型射流喷嘴为研究对象,利用计算流体力学软件对喷嘴的结构特征和几何参数进行数值模拟,用ANSYS Space Claim软件建立喷嘴的几何模型,使用ICEM软件对几何模型进行网格划分,再运用Fluent软件进行求解,选择湍流模型中的Realizable k-ε模型进行计算。
从收缩曲线形状、收缩段长度以及出口直径等对射流有影响的因素进行分析。
结果表明:收缩段曲线形状会对对喷嘴射流产生影响,收缩段曲线为维多辛斯基曲线型喷嘴在高入口压力情况下能保持良好的射流稳定性;出口直径为5 mm,收缩段长度为8 mm的喷嘴能够在节约能耗的情况下满足分选要求。
【总页数】4页(P71-74)
【作者】邓星星;陈锐
【作者单位】东华理工大学机械与电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TD403;TH47
【相关文献】
1.基于CFD的自推进破岩喷嘴流场仿真研究
2.基于CFD的微型拉伐尔喷嘴选型与扩张段长度仿真优化研究
3.基于CFD和PIV方法的单相KYF浮选机流场分析研究—KYF浮选机流场测试与仿真研究(二)
4.基于CFD的KYF浮选机气—液两相流分析与探讨—KYF浮选机流场测试与仿真研究(四)
5.基于CFD的收缩型喷嘴的喷油仿真研究
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基于ABAQUS的三维水力压裂裂缝扩展模拟研究
沿 cohesive 单元切向流动方程 ： q = − w3 ∇p
12µ 沿 cohesive 单元法向流动方程 ：
( ) = qt ct p f − pt ( )
= qb cb p f − pb 式中 ：q、qt、qb 分别为 cohesive 单元切向流量、上表
·34·
2021 年 1 月 第 48 卷第 1 期
云南化工 Yunnan Chemical Technology
Jan.2021 Vol.48，No.1
面法向流量、下表面法向流量 ； p 为 cohesive 单元 长度方向压力梯度 ；ω 为裂缝宽度 ；μ 为流体黏度 ； ct、cb 为上、下表面的滤失系数 ；pt、pb 为上、下表 面的孔隙压力。
图 1（b）所示是压裂最终时刻裂缝的形态示意图。 可以看出，裂缝中部最宽，沿着缝高裂缝宽度降低， 在缝长方向，裂缝尖端缝宽逐渐减小。这与图 1（a） 中孔隙压力分布相一致，主要是由于储层与隔层的渗 透率差异和抗拉强度不同所导致，压裂液从注入点进 入储层，再逐步渗入隔层，此时隔层的渗透率差异阻 挡了压裂液的渗滤，同时隔层抗拉强度大于储层，起
裂更加困难，裂缝就会沿着缝长方向延伸。
2 三维水力压裂有限元模型
通过调研鄂尔多斯盆地低渗透储层的地质概况， 得到 H 井的矿场测试具体参数，见表 1。依据实际数 据建立三维水力压裂模型如图 1 所示，模型高度（Y 方向）、宽度（X 方向）和长度（Z 方向）分别为 50 m、 60 m、100 m，中间储层高度为 10 m，上下隔层的高 度为 20 m。注入点位于 X-Y 面的中心位置，通过注 入点，沿着 Z 方向且垂直于 X-Y 面嵌入 cohesive 单 元面。
基于SolidWorks水蒸汽喷射泵CAD系统的研究
第30卷第4期 辽宁工业大学学报(自然科学版) V ol.30, No.42010年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Aug.2010收稿日期：2010-05-18作者简介：林丽生(1986-)，女，福建莆田人，硕士生。
廖国进(1967-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。
基于SolidWorks 水蒸汽喷射泵CAD 系统的研究林丽生，廖国进（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：水蒸汽喷射泵是一种利用水蒸汽的高速射流抽吸低压流体的装置，在国内外的应用越来越广泛。
利用SolidWorks 二次开发技术对水蒸汽喷射泵进行参数化设计，通过VB 程序对水蒸汽喷射泵进行结构尺寸设计计算，然后利用SolidWorks API 二次开发接口，结合标准件数据库，把尺寸参数值赋值给三维实体模型进行重建，从而得到对应设计参数的水蒸汽喷射泵模型。
这样可以减少水蒸汽喷射泵设计工作的重复性，节约时间，提高设计效率。
关键词：SolidWorks ；二次开发；水蒸汽喷射泵；参数化设计中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2010)04-0232-04CAD System Research on Steam Ejector PumpBased on SolidWorksLIN Li-sheng, LIAO Guo-jin（Mechanical Engineering & Automation College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China ）Key words: SolidWorks; further development; steam ejector pump; parameterized designAbstract: Steam ejector pump is one equipment that pumps low-pressure fluids with high-pressure steam, and is widely used in far-ranging fields both at home and abroad. The further development technique of SolidWorks based on Visual Basic 6.0, was done to have implemented parameterized design system of the steam ejector pump. The structural dimensions of the steam ejector pump were computed with VB program. And the steam ejector pump model was rebuilt by using SolidWorks API. Thus, the additional and repeated work on such steam pector pump designing were saved. The technique improves the design efficiency of steam ejector pump greatly.水蒸汽喷射泵是一种利用水蒸汽的高速射流抽吸低压流体的装置，它结构简单、运转费用低、操作维修方便，对于被抽吸的流体没有严格的要求，在国内外动力、石油化工、冶金、轻工纺织、制冷、医药等领域的应用越来越广泛[1]。
水射流冲击压力最佳喷距数值仿真及试验研究
水射流冲击压力最佳喷距数值仿真及试验研究叶建友;吕彦明【摘要】基于水射流冲击模型，应用Fluent流体分析软件对喷嘴射流冲击力进行数值仿真，得出不同喷距对射流冲击压力的影响。
结果表明：在低压连续水射流条件下，出口直径为2 mm的喷嘴在喷距为50 mm时产生的射流冲击压力最大；并通过实验验证射流仿真模型的正确性和有效性。
%Based on water jet impact model,the jet impact numerical simulation was carried out by Fluent. The content include the effect of different jet distances influence on the jet impact pressure. The result shows that in the low pressure continuous water jet ,the jet impact pressure maximum when the nozzle diameter is 2 mm and the jet distances is 50 mm. Finally ,the validity and effectiveness of the jet simulation model were verified.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】3页(P34-36)【关键词】水射流;数值模拟;喷距;冲击压力【作者】叶建友;吕彦明【作者单位】江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122;江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122【正文语种】中文【中图分类】TP69水射流广泛应用于消防、喷灌、清洗、切割等领域，对国民的生产生活具有重要意义。
国内外学者对其特性进行了许多研究。
不同流道形状的水力射孔喷嘴数值模拟
作者： 徐艳;李青燕
作者机构： 东北石油大学机械科学与工程学院;陕西省靖边县长庆油田基地第一采气厂出版物刊名： 中国城市经济
页码： 155-155页
年卷期： 2011年 第20期
主题词： 水力射孔;喷嘴;等速核
摘要：在油田生产水力射孔过程中,喷嘴在实现高速射孔的同时,形成水力损失,考虑流体力学因素,合理设计喷嘴尺寸及内流道形状,可以实现高效射孔。
本文对不同内流道形状喷嘴的内部流场进行数值模拟,对数值模拟结果进行分析,得出了压力损失小,等速核长的内流道形状,可提高射孔效率,同时减小压力损失。
基于ABAQUS的水力割缝数值模拟
收稿日期:2012－04－09作者简介:饶培军(1987－)，男，河南平顶山人，中国矿业大学电力工程学院流体力学专业硕士研究生，现主要从事高压水射流在煤矿安全中的应用研究。
基于ABAQUS 的水力割缝数值模拟研究饶培军，李宝玉，毛凯昭(中国矿业大学电力工程学院，江苏徐州221008)摘要:利用ABAQUS 软件建立水力割缝模型，模拟水力割缝后煤层内部的应力场、煤体位移、瓦斯渗流以及割缝周围瓦斯压力分布情况。
取距离掘进工作面5处的截面作为研究对象，处理模拟数据，得到在水平、垂直方向上与割缝中心不同距离处煤体应力、位移和孔隙压力的变化规律。
关键词:ABAQUS ;水力割缝;应力场;煤体位移;瓦斯渗流中图分类号:TD712文献标识码:A 文章编号:1671－0959(2012)11-0109-03水射流割缝防突技术是利用高压水射流的切割和冲击能力，对渗透系数低、原始地应力大、瓦斯气体含量高的具有突出危险的煤层进行水力切割。
在预先打好的割缝钻孔内，利用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割，由于高压水割缝对煤体的切割和冲击作用，将钻孔内两侧煤体切割出一定宽度的扁平缝槽，钻孔周围一部分煤体被高压水击落冲走，形成狭长的槽缝空间。
这一缝槽相当于在煤层内开采出一层极薄的保护层，达到层内煤体应力自我解放，为煤层内部的瓦斯流动和释放创造良好的条件，使煤体内瓦斯得到充分释放，应力集中带向内部转移，从而达到防突目的。
文中利用ABAQUS 有限元软件建立了三维模型，针对水力割缝后煤层内的瓦斯排放、煤体应力释放以及瓦斯流动场、煤体应力场的变化情况进行数值模拟和分析。
1水射流破煤岩机理高压水射流冲击下煤岩破坏过程比较复杂。
尽管国内外许多学者对高压水射流破煤岩机理进行了大量的研究，但是至今还有一些问题未能完全解决。
文中采用拉伸—水楔破煤岩理论。
当高压水射流冲击煤岩时，煤岩内的应力状态十分复杂。
除压应力外，还形成了较大的拉应力和剪应力。
煤层水力割缝喷嘴特性的数值研究
煤层水力割缝喷嘴特性的数值研究
李德玉;吴海进;王春利
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2010(035)004
【摘要】针对圆锥收缩型喷嘴内的液固两相流动,采用标准k-ε湍流模型和分散颗粒群模型对喷嘴内的流场进行三维数值模拟.分析了喷嘴内液固两相的加速过程,并研究了出口直径为1.6 mm的喷嘴结构参数(圆柱段长度、收缩角)对磨料加速效果的影响.计算结果表明:圆锥收缩段与圆柱段交界处附近沿轴线方向的压力梯度可高达1 GPa/m,是高压流体和固体颗粒加速的重要区域;为了使磨料颗粒获得较好的加速,圆柱段长度应不小于8.75倍喷嘴出口直径,收缩角应取10°左右.
【总页数】5页(P686-690)
【作者】李德玉;吴海进;王春利
【作者单位】中国矿业大学,电力工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,电力工程学院,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,电力工程学院,江苏,徐州,221008
【正文语种】中文
【中图分类】TD421.59
【相关文献】
1.煤层水力割缝系统性能瞬变特性研究 [J], 袁波;康勇;李晓红;王晓川;王泽峰
2.水力割缝开采低渗透煤层气应力场数值模拟 [J], 唐巨鹏;李成全;潘一山
3.煤层水力割缝自吸磨料喷嘴特性与参数 [J], 张欣玮;卢义玉;汤积仁;周哲
4.低透煤层水力割缝锥-柱组合型喷嘴增透技术研究 [J], 张金宇
5.多重水力割缝下煤层气储层卸压数值模拟 [J], 唐巨鹏;杨森林;李利萍
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基于Fluent的高压水射流喷嘴优化模拟研究
第４２卷第５期能 源 与 环 保Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ ５ ２０２０年５月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＭａｙ ２０２０ 收稿日期：２０２０－０１－２０；责任编辑：陈鑫源 ＤＯＩ：１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０５．００３基金项目：国家重点研发计划资助项目（２０１８ＹＦＣ０８０８３０５）；国家“十三五”重点研发计划资助项目（２０１６ＹＦＣ０８０１４０４）；重庆市“科技创新领军人才支持计划”资助项目（ＣＳＴＣＫＪＣＸＬＪＲＣ１４）作者简介：刘文杰（１９８５—），男，山西吕梁人，工程师，硕士，２０１３年毕业于西南大学，现从事瓦斯灾害防治、瓦斯抽采及预警方面的研究工作。
引用格式：刘文杰，程晓阳．基于Ｆｌｕｅｎｔ的高压水射流喷嘴优化模拟研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（５）：１４ １８．ＬｉｕＷｅｎｊｉｅ，ＣｈｅｎｇＸｉａｏｙａｎｇ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｔｅｒｊｅｔｎｏｚｚｌｅｂａｓｅｄｏｎＦｌｕｅｎｔ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎ ｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（５）：１４ １８．基于Ｆｌｕｅｎｔ的高压水射流喷嘴优化模拟研究刘文杰１，２，程晓阳１，２（１．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 ４０００３７；２．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 ４０００３７）摘要：为了提高高压水射流技术的破煤效率，采用Ｆｌｕｅｎｔ软件对高压水射流的喷嘴结构和几何参数进行了优化模拟。
通过分析水射流的轴向速度和壁面静压分布，选择了最佳的喷嘴结构和几何参数。
结果表明：圆柱形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴内部，而锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度发生在喷嘴外部，且锥形和锥直形喷嘴的最大射流速度和最大压力均明显大于圆柱形喷嘴，考虑到水射流的附壁效应，锥形喷嘴为最佳选择。
基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟
作者简介:周章根(1984— ),男,西南科技大学硕士研究生,研究方向为高压水射流。
基于Fluent 的高压喷嘴射流的数值模拟周章根,马德毅(西南科技大学制造科学与工程学院,四川绵阳621010)摘 要:研究收缩型喷嘴在初始压力为100M Pa,出口直径为1mm 的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。
选择不可压Reynolds 方程作为动量方程,利用Fluent 的SI M P LEC 算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。
结果表明:流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在离开喷嘴后出现等速流核区;流体动压在喷嘴收缩段增长快速,在等速流核区保持不变;仿真结果与理论推导相符合。
关键词:Fluent;喷嘴射流;Reynolds 方程;数值模拟中图分类号:TH12;TP6 文献标志码:A 文章编号:167125276(2010)0120061202Num er i ca l S i m ul a ti on of H i gh 2pressure Jet Nozzle Ba sed on Fluen tZHOU Zhang 2gen,MA De 2yi(Co ll ege ofManufacturi ng and Engi nee ri ng,Southwe st Uni ve rsity of Sci ence and Techno l o gy,M i anyang 621010,Chi na )Abstract:This p ap e r num e ri ca ll y s tud i e s the d is tri bu ti o n re gul a riti e s o f the p hys i ca l qua n tity o f ve l o c ity,p re ssu re ,rap i d ki ne ti c e ne rgya nd so on,i n the fl o w 2fi e l d o f the co n tra c ti ve no zz l e ,w hen the i niti a l p re s sure is p =100M P a and the o utl e t ou ts i de d i am e te r is 1mm.The i ncom p re s sib l e R e yno l ds e qua ti o n is t o se l ec ted a s the m om e ntum equa ti o n a nd the a l go rithm of S I M PLEC of F l uen t is u sed t o s i m ul a te the i n j e c ti o n s tream.The re sults show tha t the j e t ve l o c ity i nc re a se s qui ckl y i n the co n tra c ti ve se c ti o n o f no zz l e and a co re se c ti o n o f e qua l ve l o c ity is f o r m e d afte r the j e t depa rts fr om the no zz l e and the dynam i c p re s sure of j e t goe s up rap i dl y i n the con trac 2ti ve sec ti o n of nozz l e ,w h il e is s ta bl e i n the co re sec ti o n.The s i m ul a ti o n confo r m s t o theo re ti ca l a na l ys is.Key words:fl ue nt;i n j e c ti o n s tream ;re yno l d s 2a ve ra ge d na vi e r 2s t o ke s e qua ti o n;num e ri ca s i m ul a ti o n0 引言F LUE NT 是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CF D 软件,它提供了κ-ε紊流模型等多种紊流模型,可根据具体的情况进行选择。
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要： 水力割缝是煤层卸压和增加煤层渗透率的有效方法 ， 其中喷嘴结构是影响水力割缝效果 的关键部件， 通过 Solidworks 软件对收缩型喷嘴内部流场进行数值模拟， 通过对比优化喷嘴参 摘 数， 并在实验室进行试验分析了影响割缝效果的因素 。 关键词： Solidworks； 喷嘴； 数值模拟； 优化选择； 割缝效果； 水力割缝
［1 － 5 ］
明收缩型喷嘴有较好的聚能作用 。喷嘴的主要参数 有收缩角 α， 入口处和出口处的过度形状， 出口直径 d 和长径比 L / d。为了优化喷嘴结构， 选择 3 组收缩 35° 和 65° ， 3 组出口直径 d： 0． 05 、 0． 10 和 角 α： 12° 、 0． 15 mm， 4 组长径比 L / d： 1 、 2、 3、 4， 进行数值模拟， 通过对比分析优化选择。 2 2． 1 数值模拟
图1
收缩型喷嘴示意图
· 6· S = － p u + ［ （ μ + μ r ） ］+ x x x 1 v u ［ （ μ + μ r ） ］－ 2 （ μ + μ r ） 2 r r x r μr ， S = σk
（ 第 43 卷第 4 期）
试验·研究
4 ） 紊流动方程。 = k， S = G － ρε Γ = G － ρε， 5 ） 耗散率方程。 = ε， Γ = μ +
控制方程 k 的黏性耗损 假设该单位质量流体为动能为 k， u 为轴向速度。采用 k － ε 紊 率为 ε， 流体密度为 ρ，
流模型， 其方程组可写成如下统一形式： 1 δ ［ （ rρu） + （ rρv） ］= r x δr 1 δ ［ （ rΓ ） + （ rΓ ） ］+ S r x x δr r 方程中各项具体表达式为： 1 ） 连续方程。 = 1 ， S = 0 Γ = 0， 2 ） x 动量方程。 = u， Γ = μ + μr p u S = － + ［ （ μ + μ r ） ］+ x x x v 1 u ［ （ μ + μ r ） ］－ 2 （ μ + μ r ） 2 r r x r 3 ） r 动量方程。 = v， Γ = μ + μr
2 C1 ε ρε G － C2 k k
其中： G = （ μ + μr ） ｛ 2［ （ （ v u 2 v ） +（ ） 2 +（ ） 2 + r x r
图2
出口直径与轴线速度图
u v 2 + ） ］ ｝ r x 式中： μ 为动力黏性系数； μ r 为紊流黏性系数， k2 ； σ k 为 k 的稳流 prandtl 数， σk = 1 ． 0 ； σε ε 为 ε 的紊流 prandtl 数， σε = 1 ． 3 。 μr = Cμ ρ C1 = 1 ． 505 ， 方程组中各个常数取值： C ε = 0 ． 09 ， C2 = 1 ． 92 。 2． 2 数值模拟边界条件 喷嘴的初始条件相同， 湍流模型为 k － ε 模型， 入口边界条件： 压力 30 MPa； 出口条件： 外界静压
QIAO Wei1 ， SHANG Zhi － yuan1 ， ZHANG Xin － jian2 ， HAN Bao － deng1 （ 1 ． School of Energy Science and Engineering， Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000 China； 2 ． Chensilou Coal Mine，Henan Longyu Energy Co． ，Ltd，Yongcheng 476600 ， China） Abstract： Hydraulic slotting is an effective way to released seam pressure and increase permeability of coal seams． Nozzle structure is the key component affecting hydraulic slotting． Internal flow field of convergent nozzle is simulated based on Solidworks software． Through comparing and optimizing the nozzle parameters，the factors affecting slotted effect is analyzed by laboratory tests． Key words： Solidworks； nozzle； numerical simulation； optimization； slotted effect； hydraulic slotting
+ 中图分类号： TD713 ． 3
文献标志码： A
文章编号： 1003 － 496X（ 2012 ） 04 － 0005 － 03
Numerical Simulation for Nozzle Characteristics of Hydraulic Slotting Based on Solidworks
高压水射流技术是近 20 年来发展起来的新技 其在煤矿上应用也受到越来越多的关注 ， 其中在 术， 掘进面防突和增加瓦斯抽放率应用方面效果显著 。 通过高压水射流的冲击作用、 动压力作用和水楔作 用对煤体进行切割， 一方面使煤体局部卸压， 可有效 防治掘进面煤与瓦斯突出， 另一方面增大了煤层的 。 喷嘴是水力割缝的 渗透率， 增加瓦斯抽放率 关键部件， 其结构参数对喷嘴的聚能效果影响巨大 ， 对喷嘴进行数值模拟找到最合适的参数并进行实验 室试验对水力割缝装置研制有指导作用 。 1 喷嘴结构及其参数选择 目前常用的喷嘴为收缩型喷嘴， 如图 1 ， 实验证
试验·研究
（ 2012 － 04 ）
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基于 Solidwork 2 1 伟 ， 尚志远 ， 张新建 ， 韩宝灯
（ 1． 河南理工大学 能源科学与工程学院， 河南 焦作 454000 ； 2． 河南龙宇能源股份有限公司 陈四楼煤矿， 河南 永城 476600 ）