高压水射流喷嘴内外部流场的数值模拟研究

摘要

高压水射流清洗是高压水射流应用的一个重要方面，作为一种独特的清洗新技术，具有高能量密度、良好的射流可控性与材料适应性，能满足各类清洗工程的需要。与传统的机械式、化学式清洗相比，具有广泛的通用性和相对环境无害性等独特优点。随着社会环保意识的增强，水射流清洗技术的应用倍受关注，前景十分广阔。 喷嘴是高压水射流成套设备的核心，是形成水射流工况的直接元件，它所造成的结果直接影响到系统的各个部分。实际上，研究出性能良好、材料适宜又与主机匹配的喷嘴，将极大地提高射流效率。尽管喷嘴型式很多，但出于性能和加工的综合考虑，工程上实际上应用的大多是圆柱形喷嘴和圆锥形喷嘴。 为了研究喷嘴几何参数对射流流场性能的影响，文章首先采用计算流体力学的原理，依照计算前处理的次序介绍了数值模型的建立、网格划分、边界条件和初始条件的设定、计算控制参数设定等。并采用FLUENT软件中的混合模型对射流流场的速度、压力、介质等物理量进行了两相流动的数值模拟研究。在边界条件和初始条件相同的情况下，分别改变圆锥形喷嘴和圆柱形喷嘴的圆锥段收缩角、喷嘴出口直径、喷嘴长度、圆柱形喷嘴的长径比，用FLUENT软件对两种喷嘴射流的速度衰减特性进行了模拟和分析，从而得出最佳的喷嘴结构参数。 最后，文章总结了在喷嘴射流研究中取得的成果和不足，对今后研究工作提出展望。文章得出的一些结论为以后的研究和优化高压水射流清洗喷嘴的设计提供了参考依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1高压水射流清洗概述

1.2高压水射流清洗装置的工作原理及分类

1.2.1高压水射流的定义

1.2.2高压水射流清洗装置

1.2.3高压水射流的分类

1.3高压水射流清洗机理及影响因素

1.3.1高压水射流清洗作用简述

1.3.2以渗透为主的破碎过程

1.3.3直接压缩和剪切为主的过程

1.4高压水射流清洗技术的应用

1.5高压水射流清洗技术的研究现状及发展趋势

1.6本课题的研究内容和方法

第二章高压水射流的流体力学特性

2.1射流的基本结构与特性

2.2水滴形成过程与尺寸

2.3混合介质的声速及基本属性

2.4射流基本参数

2.4.1射流基本结构参数

2.4.2射流流量特性参数

2.4.3射流基本特征参数

2.4.4射流对物体的作用力

2.5本章小结

第三章喷嘴

3.1喷嘴的型式

3.1.1圆柱形喷嘴

3.1.2扇形喷嘴

3.1.3异形喷嘴

3.2圆儿锥、圆柱形喷嘴的计算

3.2.1喷嘴直径的计算

3.2.2喷嘴的流量系数

3.2.3喷嘴性能

3.3喷嘴的匹配与清洗操作参数选择

3.4影响水射流清洗的因素

3.4.1水力参数

3.4.2射流工作参数

3.4.3比能

3.4.4反冲力与清洗力

3.5本章小结

第四章喷嘴的CFD建模

4.1 CFD软件简介

4.2喷嘴的数值模拟方案

4.2.1流体介质的选择

4.2.2喷嘴模型的选择

4.2.3喷嘴的数值模拟方案

4.3喷嘴射流流动的数学模型

4.4湍流参数的计算式

4.5喷嘴的GAMBIT建模

4.5.1网格生成软件GAMBIT简介

4.5.2喷嘴的几何模型

4.5.3网格划分

4.5.4边界条件

4.6本章小结

第五章喷嘴内外部流场数值模拟分析

5.1 FLUENT软件简介

5.2求解方法与计算模型的确定

5.2.1求解方法的选择

5.2.2确定计算模型

5.2.3解的收敛判定

5.3喷嘴内外部水射流流场数值模拟分析

5.4圆锥形喷嘴结构对射流流场影响模拟分析

5.4.1圆锥形喷嘴收缩角α对射流流场的影响

5.4.2圆锥形喷嘴出口直径d对射流流场的影响

5.4.3圆锥形喷嘴长度L对射流流场的影响

5.5圆柱形喷嘴结构对射流流场影响模拟分析

5.5.1圆柱形喷嘴收缩角α对射流流场的影响

5.5.2圆柱形喷嘴长径比l/d对射流流场的影响

5.6本章小结

结论

参考文献

致谢

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