水射流喷嘴数值模拟课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,内容,一,.,基本概念,二,.FLUENT,软件简介,三,.,喷嘴结构及几何参数,四,.,喷嘴模型建立及边界条件,五,.,喷嘴直径的模拟研究,六,.,喷嘴圆柱段长度的模拟研究,内容 一.基本概念,一,.,基本概念,水射流：,水射流是一种工业加工（切割）用的特殊高压水射流，其基本原理归之为：运用液体增压原理，通过特定的装置（增压器或高压泵），将动力源（电动机）的机械能转化成压力能，具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴（又一换能装置），再将压力能转变成动能，从而形成高速射流。因而又常叫做高速水射流,。,一.基本概念水射流：水射流是一种工业加工（切割）用的特,磨料水射流：添加了磨料颗粒的高能射流。,前混合磨料水射流：混合顺序的不同,磨料水射流：添加了磨料颗粒的高能射流。,二,.FLUENT,软件简介,Fluent,是目前国际上比较流行的商用,CFD,软件包，涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以用,Fluent,进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。,二.FLUENT软件简介 Fluent是目前国际上,它开发了适用于各个领域内的流动模拟软件，用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了统一的网格生成技术和共同的图形界面。,它开发了适用于各个领域内的流动模拟软件，用于模拟流体流动、传,三,.,喷嘴结构几何参数,收敛型喷嘴的几何参数主要有：喷嘴入口直径,D,，喷嘴收敛角,，喷嘴长度,L,，喷嘴末端圆柱段长度,l,，喷嘴末端圆柱段直径,d,。如图,3.1,所示。,图,3.1,喷嘴结构简图,三.喷嘴结构几何参数收敛型喷嘴的几何参数主要有：喷嘴入口直径,来流管长度取,10mm,，圆柱段长度取,100mm,，,喷嘴入口处直径为,3.6mm,，,入口速度为,15m/s,。模拟介质基本相为水，水的密度为,998.2kg/m,3,，粘度为,0.001003kg/,（,ms,）；磨料颗粒的密度在模拟中采用,4000 kg/m,3,（石榴石密度）。,四,.,喷嘴模型建立及边界条件,来流管长度取10mm，圆柱段长度取100mm，喷嘴入,图,4.1,喷嘴网格划分示意图,建模及其网格的划分工作在,Gambit2.2.30,中完成。网格划分情况如图,4.1,。,图4.1 喷嘴网格划分示意图建模及其网格,五,.,喷嘴直径模拟研究,喷嘴直径分别取,0.5mm,，,0.8mm,，,1.0mm,，,1.2mm,，入口直径相同，取,3.6mm,，收敛角度为,30,。模拟得出混合物速度在中轴线上的变化，如图,5.1-,图,5.4,。,五.喷嘴直径模拟研究喷嘴直径分别取0.5mm，0.8mm，1,图,5.1,前端直径,0.5mm,喷嘴中轴线速度曲线,图5.1 前端直径0.5mm喷嘴中轴线速度曲线,图,5.2,前端直径,0.8mm,喷嘴中轴线速度曲线,图5.2 前端直径0.8mm喷嘴中轴线速度曲线,图,5.3,前端直径,1.0mm,喷嘴中轴线速度曲线,图5.3 前端直径1.0mm喷嘴中轴线速度曲线,图,5.4,前端直径,1.2mm,喷嘴中轴线速度曲线,图5.4 前端直径1.2mm喷嘴中轴线速度曲线,从图中观察看出,：,喷嘴在由来流管进入收缩段时，速度急剧增大，并在收缩段进入前端直管段处存在极值点。随着直管段的继续加长，喷嘴内射流速度出现下降，但是下降幅度不大。,从图中观察看出：喷嘴在由来流管进入收缩段时，速度急剧增大，并,直径（,mm,）,最大值（,m/s,）,极值（,m/s,）,最大值在直管段的位置,(mm),0.5,851.7,778.3,25.3,0.8,2.8,327.1,49.4,1.0,225.4,212.4,45.7,1.2,156.6,147.8,46,表,1,不同喷嘴直径下水射流混合物最大值、极值和最大值出现的位置,从图中可以得出不同直径下水射流混合物的最值以及出现的位置，如表,1,所示：,直径（mm）最大值（m/s）极值（m/s）最大值在直管段的位,从表,1,中分析得出,：直径为,0.5mm,时，最大值出现在直管段长度的,1/4,处，其他三种直径最大值在直管段的,1/2,处，若仅仅从最大值出现的距离判断，设计喷嘴时应使直管段越短越好，从这点出发，直径为,0.5mm,的喷嘴是最优的。,从表1中分析得出：直径为0.5mm时，最大值出现在直管段长度,但是，考虑到以下因素，,0.5mm,的直径不可取。（,1,）由于,0.5mm,的喷嘴直径过细，会导致喷嘴入 口处的压力急剧上升。中轴线上的压力分布,如图,5.5,所示,，模拟结果显示喷嘴内压力出现负值，显然不符合实际情况。而且实际实验过程中，过细的喷嘴很容易造成堵塞，严重影响切割过程，并对前端水泵等设备造成压力伤害。,（,2,）,李宝玉,教授指出喷嘴出口直径与所用磨料粒,但是，考虑到以下因素，0.5mm的直径不可取。（1）由于,径之比不宜过小，以保证不发生堵塞现象，根据近几年的实验，这一比值一般在,3,以上。我们所选取的磨料为,80,目的石榴石，其平均直径为,0.18mm,，显然,0.5mm,的喷嘴直径也不符合这一要求。,（,3,）由于,0.5mm,的孔径十分难加工，厂家也不能保证加工直径的准确性。,因此，从模拟实验、实际运用以及加工等方面综合考虑，喷嘴直径,0.5mm,不能用于喷嘴设计。,径之比不宜过小，以保证不发生堵塞现象，根据近几年的实验，这一,图,5.5,前端直径,0.5mm,中轴线压力曲线,图5.5 前端直径0.5mm中轴线压力曲线,图,5.6,前端直径,0.8mm,中轴线压力曲线,图5.6 前端直径0.8mm中轴线压力曲线,图,5.7,前端直径,1.0mm,中轴线压力曲线,图5.7 前端直径1.0mm中轴线压力曲线,图,5.8,前端直径,1.2mm,中轴线压力曲线,图5.8 前端直径1.2mm中轴线压力曲线,由压力曲线分析,，喷嘴从收缩段开始压力急剧下降，进入直管段以后，下降速率降低。在直管段，压力降分为两个阶段，速度最大值之前压力降速度小于速度最大值后压力降速度。,由于模拟实验是在理想条件下进行的计算，在不受外界干扰的情况下，直径,1.2mm,的喷嘴的后端压力也没有达到系统要求。从工程实际应用分析，选取,0.8mm,和,1.0mm,作为磨料水射流系统的喷嘴直径较为合适。,由压力曲线分析，喷嘴从收缩段开始压力急剧下降，进入直管段以后,另外，根据喷嘴出口速度、流量计喷嘴直径有以下关系式：,式中,：,速度系数，喷嘴出流时可取,0.98,；,射流混合物密度；,P,喷嘴后端压力。,流量,：,喷嘴出口速度：,（,5-1,）,（,5-2,）,另外，根据喷嘴出口速度、流量计喷嘴直径有以下关系,当压力源的压力和流量一定时，喷嘴直径可由,下式确定,：,根据,具体,选取的水泵知，水泵最大输出压力为,380bar,，最大输出流量,10,l,/min,。工况状态下,，,取压力为,30MPa,，流量取最大流量，若采用纯水射流，则,=998.2kg/m,3,，将以上数据代入公式（,5-3,）中，计算得到的直径,d,=0.936mm,。计算结果与模拟实验得到的结果吻合，确定,1.0mm,和,0.8mm,直径作为喷嘴制造的具体尺寸。,（,5-3,）,当压力源的压力和流量一定时，喷嘴直径可由 根据具体选,六,.,喷嘴圆柱段长度模拟研究,喷嘴前端直径取,0.8mm,，入口直径固定为,3.6mm,，收敛角度取,30,，以,20mm,为步长，分别模拟了,80mm,，,60mm,和,40mm,圆柱段长度的喷嘴射流情况。其中轴线速度分布曲线如图,6.1-,图,6.3,所示。,六.喷嘴圆柱段长度模拟研究喷嘴前端直径取0.8mm，入口直径,图,6.1 80mm,长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图6.1 80mm长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图,6.2 60mm,长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图6.2 60mm长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图,6.3 40mm,长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图6.3 40mm长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图中可以看出,，速度最大值均出现在直管段,33mm,处。,(,图上坐标为,45mm),推测,:,直管段的长度对于最大值出现的距离没有影响，当入口直径、出口直径、收敛角和入口速度等参数固定的情况下，最大值出现的位置是固定的。,为了验证推测，又模拟了直管段长度为,150mm,喷嘴的射流情况，中轴线速度曲线见图,6.4,，最大值出现的位置也在直管段,33mm,处，验证了推测的正确性。,图中可以看出，速度最大值均出现在直管段33mm处。(图上坐标,图,6.4 150mm,长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,图6.4 150mm长圆柱段喷嘴中轴线速度曲线,理论设计喷嘴直管段应为,33mm,。表,6.1,是不同直径下的喷嘴中轴线速度最大值、最小值情况。,理论设计喷嘴直管段应为33mm。表6.1是不同直径下的喷嘴中,直,径,（,mm,）,最大值（,m/s,）,最大值在直管段中的位置（,mm,）,最小值（,m/s,）,最小值在直管段中的位置（,mm,）,最小值,/,最大值,0.5,851.7,25.3,752.3,2,0.88,0.8,342.8,49.4,331.0,5.9,0.97,1.0,225.4,45.7,203.7,5.1,0.90,1.2,156.6,46,142.8,5.4,0.91,表,6.1,不同直径喷嘴中轴线速度表,直径最大值（m/s）最大值在直管段中的位置（mm）最小值（m,从上表中可以看出,，射流速度在直管段的最小值和最大值相差不是很大，尤其是直径,0.8mm,的喷嘴，直管段的最小速度和最大速度之比接近,1,，显然为了追求小于,3%,的速度增加，而急剧增加圆柱段的长度并不可取。,因此，综合考虑切割能力与切割效率，以及喷嘴机械加工等各方面因素，我们取较合理的圆柱段长度,8mm,。,从上表中可以看出，射流速度在直管段的最小值和最大值相差不是很,谢谢,谢谢,