纯水射流冲击性能的CFD建模与仿真分析

　　0 引言

　　纯水射流，是由超高压泵产生的超高压水，经喷嘴喷射出高速水流，具有极高的能级密度[1]。 国内一些学者在超高压水射流的开放式喷射和内部流动方面做了一些仿真研究，诸如华中科技大学、兰州理工大学、江苏大学等[2-4]。 北京科技大学和武汉科技大学等学者在喷嘴内部流场特性方面做了一些仿真研究[5-6]。

　　本文针对超高压纯水射流的聚能冲击特性， 结合经典射流理论， 提出了一种纯水射流冲击的流体建模方法，建立了超高压纯水射流的冲击分析模型。 采用湍流模式对喷嘴内及喷射流场进行了模拟， 并与实验进行对比。

　　1 纯水射流冲击力学模型

　　射流冲击作用在物体表面， 其原有的速度和方向均发生改变，即动量发生改变。 而这种动量的改变，是由于射流与物体间的相互作用力引起的。 射流作用于钢质表面，如图 1 所示。

　　假设射流作用于物体表面，反射后速度大小不变，根据动量定理，可得到射流对物体表面的总冲击力：

　　F=ρqν（1-cosβ） 　　（1）

　　式中 F———作用在船壁的冲击力，单位为 N；

　　ρ———水介质密度，单位为 kg/m³；

　　q———射流流量，单位为 m³/s；

　　ν———射流流速，单位为 m/s；

　　β———射流方向变化角，单位为°。

　　式（1）可见，当 β≈180°时，即射流完全反向，总冲击力 F 达到最大值，即

　　F=2ρqν 　　（2）

　　整理后可得：

　　F=πd²ρ 　　（3）

　　式中 d———喷嘴口径，单位 mm。

　　式（3）得出理论上的水射流与船壁表面最大冲击力，反映了冲击力与压力和口径间的定性关系，实际冲击力还与靶距有关，即喷嘴与物体表面间的距离，将射流冲击力最大时的靶距称为最佳靶距。

　　2 纯水射流冲击的 FLUENT 建模

　　2.1结构模型

　　传统的水射流 FLUENT 仿真，大多采用湍流模型，一方面考虑了气液混合的两相流，另一方面考虑了气液固体混和的多项流，多选择 VOF 模型和 MIXTURE 模型。 在超高压纯水射流的剥离冲击性能的仿真中，高压水的管路压力最高可达 400MPa，常规管路压力也在80MPa 以上，在巨大的压力下，纯水被强烈凝聚，管路内很难有大量气体存留，因此，在超高压纯水射流的仿真中，将多相流模型进行简化，选择纯水作为流动介质。

　　超高压纯水射流喷嘴主要由喷嘴钢质本体、喷射宝石孔及其宝石座构成，如图 2a 所示，几种不同射流口径的喷嘴如图 2b 所示。