通过对目前船厂船体喷涂工艺的分析,设计船舶喷涂机器人射流系统原理结构。扇形喷嘴是机器人喷涂新方案的关键部件,其内部流场特性的研究非常重要。以船厂目前常用的4种扇形喷嘴为例,应用CFD手段,根据流体理论建立数学模型,并根据应用现场实际,简化了物理模型,分别进行4种扇形喷嘴腔体内流场的数值模拟,并对比分析了4种扇形喷嘴轴心线上的压力变化曲线和速度变化曲线,得到4种扇形喷嘴各自的特性,为后续船舶喷涂机器人扇形喷嘴深度模拟提供参考。

针对飞机发动机在翼水洗专用扇形喷嘴,采用标准k-ε湍流模型,对数种不同的喷嘴和喷嘴外部两相流射流进行建模并仿真。仿真结果显示了喷嘴内部几何形状对射流的中心速度、形状等参数的影响规律。研究发现喷嘴腔的形状不影响射流形状及速度,射流形状主要由切槽截面角度和偏移量决定;喷嘴输入压力与射流中心速度成正比,对射流形状没有明显影响。

扇形喷嘴的结构和特性在防冻液喷洒系统中扮演着至关重要的作用。基于CFD数值模拟并结合单因素试验和正交试验,研究扇形喷嘴的3个关键参数对喷洒特性的影响。单因素仿真揭示了中心线上的射流速度、喷洒角度、喷嘴流量以及截线水含量随各参数的变化规律,并为正交试验因素水平的选择提供了依据;正交试验可以根据设计目标的需要,选择出一个较优的喷嘴结构参数组合,并通过极差分析得到了各结构参数对喷洒特性影响的主次顺序:偏移量是影响扇形喷嘴喷洒特性的最主要因素,半球直径和切槽角为次要因素。

为研究扇形雾化喷嘴结构对喷雾冷却性能的影响,建立了喷雾冷却的数学模型和物理模型,利用FLUENT流体分析软件分析得到了雾化场的液滴分布、速度分布以及液滴直径分布,以冷却速度和冷却均匀度作为参考指标,对比了不同结构参数的扇形喷嘴的喷雾冷却效果,得到了扇形雾化喷嘴的进气孔个数和进水孔直径对冷却效果的影响。结果表明在水流量与气压恒定的情况下,进气孔个数越多,冷却速度越快,冷却均匀度越好;在水流量与气压恒定的情况下,进水孔孔径越大,冷却速度越慢,冷却均匀度越好;钢板的温度变化呈非线性分布,随着喷雾冷却的进行,非线性逐渐减小。

采用标准k—ε湍流模型，利用计算流体软件对扇形喷嘴的内部流场进行了数值模拟；研究了当扇形喷嘴出口投影面积一定时，入口结构、出口几何参数对喷嘴内部流场和出口射流速度的影响。研究表明：锥形入口结构最有利于射流在喷嘴内的加速，可使射流在喷嘴中始终处于加速运动状态。出口段的直径影响出口段内射流的速度，出口射流速度随出口圆柱段直径的增加而增加，但存在影响其变化趋势的一个阙值直径。出口盲端的长径比和V形切槽的夹角对喷嘴内射流流态无明显影响，对出口射流速度也无明显影响。

高压水射流清洗技术在地铁隧道清洗中运用越来越广泛但对清洗工作参数的选择还停留在试验和经验阶段。在建立了扇形喷嘴及其外流场的三维模型的基础上运用FLUENT的VOF两相流模型对相同尺寸扇形喷嘴不同压力下不同靶距的轴向动压力、不同尺寸相同压力下不同靶距的打击力、不同射流角度的壁面各向打击力和壁面径向动压分布进行了分析研究。结果表明：相同压力下、不同出口直径喷嘴的打击力均随靶距的增大先增加后减小故靶距存在合理的取值范围。射流角度为30°时清洗效果较好。