基于CFD的锥直喷嘴的过渡圆弧优化研究

　　0前言

　　喷嘴是流体射流的发生元件。它的功能不但是把高压泵或增压器提供的静压能转换为水的动压能，而且应保证射流具有优良的流动特性与动力性能。为降 低水射流的比能，必须不断地研究和改善各类喷嘴的几何造型，建立起喷嘴结构与动力之间的关系。通过理论分析，设计计算与实验测定等环节的密切配合，优化喷 嘴的集合造型及动力性能参数，以取得较高的能量传输效率。

　　锥直型喷嘴的几何参数主要有：收缩角，过渡圆弧半径，出入口直径，长径比等。而每一个几何参数的改变，对流场的效果都有不同的影响表现。因而， 很有必要对其进行逐一的研究。喷嘴的过渡圆弧对流场的收缩度、紊流度都有影响。而射流的收缩度和紊流度，又将直接影响射流的切缝宽度和能量的损耗，最终控 制了射流的切割效果。由于经圆弧段的过渡，射流形成的流场复杂。目前还不能通过理论解析其流场，只能定性描述其流场分布。

　　本文就是要基于FLUENT的可视化数值模拟[1][2]，来实现对锥直喷嘴过渡圆弧的参数优化。

　　1锥直喷嘴的物理模型

　　为能从二维和三维，不同的角度来分析喷嘴的流场，数值模拟的模型选择喷嘴内外的全场域。喷嘴的实际物理模型(见图1)只包括了内流场，那么要包括内外全流场必须建立喷嘴的计算物理模型(见图2、图3)。

　　2流场内液固两相的数学模型

　　模型中涉及到磨料颗粒、水、两相的混合流采用欧拉多相流模型。射流流场处于高湍流状态，所以采用广泛应用的二方程模型中的标准k-ε方程模型来建立封闭的数学模型。湍流动能方程k和耗散方程ε[4][5]：

　　以上方程中Gk———由层流速度梯度而产生的湍流动能;

　　Gb———由浮力产生的湍流动能;

　　YM———在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动;

　　G1、C2、G3———常量;

　　σk和σε———k方程和ε方程的湍流Prandtl数;SK和Sε———用户定义的。

　　湍流速度μt由下式确定：

　　式中Cμ———是常量。

　　模型常量:

　　3射流在锥直喷嘴中的模拟仿真与分析

　　3.1网格划分和条件设置

　　考虑到结果显示的更加直观，在网格划分和求解中采用3D模型，网格划分模型如图4所示。喷枪内腔模型参数设置为：喷嘴入口直径D=6mm，出口 直径=0.73mm;边界条件设置：入口边界条件：压力入口边界，25MPa，磨料体积占比为0.3;出口边界条件：压力出口边界，24.9MPa。两相 情况：磨料为碳化硅sic，颗粒直径Dp为0.35mm，密度3170kg/m，黏度1.72e-05Pa·s;水为普通自来水，密度998.2kg/m³，动力黏度0.1Pa·s[3]。