空化射流喷嘴结构参数的优化

空化射流喷嘴结构参数的优化

空化水射流技术的原理是把水射流技术和空化效应相结合,采用空泡破裂时产生的巨大冲击力来提高射流的作用效果,其工作效率和冲蚀能量更强,因此能够大范围应用于开采钻探、材料破碎、工业清洗等水力学相关应用领域,成为国内外很多学者研究的热点领域。本文以淹没水射流为研究对象,基于空化理论,利用Fluent模拟了空化过程,并比较不同喷嘴模型的区别,最后进行空化实验,并优化出一组最优的喷嘴参数配比,验证了空化射流的高效性和实验的可行性。

具体工作包括以下内容:(1)进行Fluent流体数值模拟,确定了适用于喷嘴模型空化射流内部流场的计算模型,即多相流模型为Mixture模型、空化模型为Singhal模型、湍流模型为RNGκ-ε和瞬态时间步长为1e-4s。通过Fluent数值模拟,得到了不同喷嘴模型的液相云图、压力云图与速度分布等数据,可为喷嘴结构参数的优化设计提供有力支撑。

(2)对设计加工的各种尺寸参数的喷嘴进行实验研究,入口压力为35MPa,实验材料为1600铝合金。改变喷嘴配比和靶距,并通过分析不同参数下的打击效果,找到效果最好的实验参数。

得到的主要实验结果有:1)中心冲蚀斑点是由于高速水冲击所产生的现象,冲蚀圆环外围凹坑为空化作用。2)在冲蚀靶距S的合理范围内,进一步优化得到冲蚀效果较好S范围为70mm～120mm。

3)下喷嘴直径分别为1.2mm、1.4mm和1.5mm时,兼顾冲蚀所得的圆环外直径、冲蚀圆环面积和冲蚀凹坑密度,优化得到的优化后的喷嘴配比(d-D-L-dc-Ds-Ls)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。4)通过对大量实验结果进行分析,得出对喷嘴B冲蚀效果影响较大的喷嘴参数为d、D

和L,其次是dc、Ds和Ls。

5)将不同下喷嘴直径的优化后的喷嘴配比相比较,归纳得出d:D:L近似等于1:8:8。