基于响应面方法圆柱形喷嘴结构优化研究

喷嘴是高压水射流的核心工作部件,其几何结构特征直接影响射流质量及工作效率。利用CFD方法对当前广泛应用的圆柱形喷嘴内流场进行研究,以最大出口速度作为目标变量,采用响应面方法优化喷嘴结构。研究结果表明:圆柱形喷嘴轴心速度与压力呈现近似对偶特性。喷嘴出口直径、喷嘴出口圆柱段长度及喷嘴收缩角对喷嘴出口速度有显著影响,喷嘴入口圆柱段长度及入口直径对出口速度影响较小。其中,喷嘴出口圆柱段长度与出口速度近似呈线性关系,而出口直径及喷嘴收缩角与出口速度呈抛物线关系。影响喷嘴压降的因素为喷嘴入口及出口直径,而其他因素如喷嘴出口圆柱段长度、入口圆柱段长度及收缩角对压降的影响则可以忽略。     

水射流切割喷嘴结构参数数值模拟优化

应用FLUENT模拟软件对影响喷嘴射流切割特性的喷嘴圆锥段收缩角、圆柱段出口直径及长径比进行了数值模拟研究。结果表明：出口直径为2 mm、长径比为2、收缩角为10°的喷嘴轴向速度和射流冲击能量最大,切割能力最好;射流轴向速度在喷嘴圆锥收缩段急剧增加,在圆柱段先增加后减小;射流冲击切割能量的最大值不是分布在冲击面上喷嘴对应的轴心处,而是在其半径方向的某一圆周上。     

空化射流角型喷嘴内流场的数值模拟

建立了角型喷嘴物理模型。基于FLUENT软件,采用混合模型、空化模型和RNG k-ε紊流模型对空化射流喷嘴内流场进行数值模拟。以径向线上蒸汽体积分数分布、轴线上蒸汽体积分数分布和速度分布为判断角型喷嘴产生的空化射流空化程度的依据,分析圆柱段直径、入口压力、出口压力对射流空化程度的影响规律。模拟结果表明:圆柱段直径的最佳初始值为1 mm;增大入口压力可以提高射流空化程度,但随着出口压力的增大,又会抑制喷嘴内空化的初生并降低出口速度,不利于射流空化程度的提高。     

FDM 3D打印机喷嘴流场分析与结构优化

通过田口方法和有限体积法研究了喷嘴结构对熔融沉积型(FDM,Fused Deposition Modeling)3D打印机出口速度稳定性的影响,试验研究在喷嘴收敛角、过渡圆弧半径、整流段长度三个因素的水平组合下进行,利用ANSYS Fluent软件对喷嘴流场进行仿真,得出喷嘴内流场的速度变化云图、出口速度和出口速度方差,并对喷嘴结构进行优化设计。结果表明,收敛角、过渡圆弧半径、整流段长度以及它们之间的交互作用是影响丝料出口速度稳定性的重要因素。通过实验验证,在满足加工条件的情况下,收敛角越小,过渡圆弧半径越大,喷嘴出口速度越稳定。     

数控车床高压冷却喷嘴的优化设计

为了研究高压冷却喷嘴结构参数对流体射流的影响,文章针对高压冷却系统的执行部件锥形喷嘴的收缩角、入口直径与出口直径的比值两个主要因素进行了结构参数的优化设计。采用计算流体动力学的分析软件Fluent对喷嘴的流场进行了数值模拟,通过仿真研究和分析对比其喷嘴流场的特性曲线获取了喷嘴的优化参数。基于Mixture多相流模型理论对其优化后的喷嘴进行了外部流场的气液两相模拟实验和车削断屑实验。研究结果表明:随着收缩角的增大,喷嘴射流的动压值先增大后减小,在α=25°时动压力达到了最大值;距喷嘴出口60 mm处截面上的径向速度随着距离的增加而下降,在α=25°时截面上的径向速度变化幅度最小;当喷嘴的直径比C_d=3时,射流初始段的轴向速度达到最大值,能产生更好的断屑效果。     

纯高压水射流除锈喷嘴的数值模拟及优化试验研究

利用FLUENT对3种目前常用于工业管道内壁高压水射流除锈的锥形、圆柱形和锥直形喷嘴的水射流流场进行数值模拟分析,然后对射流流场特性最好的喷嘴型式采用正交试验得出其最佳结构尺寸。结果表明:锥直型喷嘴的水射流流场特性最好,流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在水平过渡段出现等速流核区,在半径方向上的径向速度无明显波动,更利于除锈;喷嘴锥直形长度L为17 mm,水平过渡段长度l为6 mm,喷嘴直径d为1 mm,收缩角α为16°除锈效果最优。     

FDM型3D打印机喷嘴多目标优化设计北大核心

分析传统桌面级熔融沉积成型(FDM型)3D打印机喷嘴的结构特点,选择喷嘴流道直径、收缩角与喷嘴温度作为试验变量,进行正交仿真试验。分析喷嘴熔体压力场、速度场、黏度场、温度场以及剪切速率场的分布状态。以稳定的出口截面速度、较低的流道熔体黏度以及较高的出口压力作为提高喷嘴打印精度与确保打印过程顺畅的优化目标。通过极差分析,确定三因素分别作用下每个优化指标的变化规律,并基于遗传算法求解多目标优化问题。结果表明:出口速度方差的最显著影响因素为流道直径,流道熔体黏度与出口压力两指标的最显著影响因素为喷嘴温度;综合考量,喷嘴流道直径为1 mm、收缩角为30°且在200~210℃工作时,能够实现较优指标的聚丙烯熔体打印。     

高压水射流切割喷嘴的结构设计和参数优化数值模拟研究

应用FLUENT软件对喷嘴的内外部流场进行数值模拟研究,并对影响喷嘴出口速度和动压的4个主要结构参数进行正交试验,模拟研究结果得出适用于切割的喷嘴结构和优化的结构参数.研究表明:喷嘴的收缩角对喷嘴的性能影响最大,喷嘴出口水平过渡段也是一个重要的影响因素.     

几何结构参数对磨料水射流喷嘴磨损规律影响的模拟分析

建立了前混合磨料水射流喷嘴物理模型。基于FLUENT软件,采用颗粒轨道模型、Grant弹性恢复系数和E/CRC磨损模型对磨料水射流喷嘴内的磨损特性进行了数值模拟。结果表明:当喷嘴收缩角为20°以上时,喷嘴磨损呈现两个严重磨损区,分别在喷嘴圆柱段入口处前较短距离范围内和喷嘴圆柱段出口处前较短距离范围内;随着喷嘴收缩角的增大,磨料颗粒与喷嘴圆柱段壁面碰撞次数和速度增加,同时随着喷嘴长径比的增大,喷嘴圆柱段壁面磨损速率整体增加,严重磨损区范围扩大,结果均使喷嘴圆柱段的磨损加剧。以喷嘴壁面磨损速率的面积加权平均积分表征喷嘴整体的磨损程度。随着收缩角和长径比的增大,喷嘴壁面磨损速率的面积加权平均积分增大,喷嘴的磨损整体而言越严重。因此,从减小喷嘴磨损的角度而言,喷嘴的收缩角和长径比宜取小值。     

重油催化裂化进料雾化喷嘴出口结构对喷嘴性能的影响研究

采用Fluent软件,基于欧拉-欧拉方法的VOF多相流模型对喷嘴的内部流场进行仿真分析,研究喷嘴出口段结构参数对喷嘴性能的影响;在确定喷嘴出口段最优结构的基础上,应用基于欧拉-拉格朗日方法的DPM模型对喷嘴的外部雾化射流区域进行了雾化状态分析,并探究了喷嘴的雾化机制.结果表明:出口锥角θ=51°时喷嘴的性能最优,平均速度为101.19 m/s,湍流强度为2141.1％,达到最大值;出口长度L2=20 mm时喷嘴的性能最优,速度为101.03 m/s,湍流强度为2121％;出口直径d2=25 mm时喷嘴性能最优,平均速度为101.49 m/s,湍流强度为2101％,且出口直径d2对喷嘴的雾化性能影响最大.并根据优化后的结构尺寸进行了5:1比例缩小的实验,对喷嘴内部液相流动状态呈四点分布进行了验证,同时喷嘴外部雾化液滴分布锥角与仿真结果误差为3.81％,雾化液滴粒径最大误差为3.67％.     

空气射流喷嘴结构优化与破拱试验研究

为快速有效冲击破坏料仓出口上方形成的料拱,设计出一种能形成高速空气射流的收缩-扩张喷嘴。为探究喷嘴结构参数对空气射流速度的影响,采用正交试验与CFD数值模拟相结合的方法,优选出收缩段锥度60°、喉部直径2 mm、入口直径12 mm的喷嘴,并对其进行射流速度测试,测试结果与数值模拟结果的平均相对误差为4.8%。最后通过实验验证了空气射流冲击流化结拱粉体的有效性和快速性,并利用Fluent分析了射流冲击渗透粉体的区域,模拟结果与实验结果一致,揭示了空气射流与粉体颗粒相互作用的过程机制,为料仓破拱时合理布置射流喷嘴提供理论指导。     

磨料喷嘴内磨料颗粒加速机理分析

以液固两相流理论为基础,对磨料颗粒在磨料喷嘴中的加速机理与运动规律进行理论分析.理论研究表明,磨料颗粒的主要加速过程是在喷嘴收缩段和圆柱段内.利用标准κ-ε两方程湍流模型对前混合磨料喷嘴内流场进行数值模拟.仿真结果表明:颗粒与水在整个喷嘴中一直都在加速,在收缩段内液相加速度大于颗粒相加速度,但圆柱段内颗粒相加速度大于液相加速度.     

水射流喷嘴内表面形状对切割性能的影响研究

磨料水射流在喷嘴中运动并得到加速,喷嘴内表面形状对射流影响显著。通过仿真与试验比较圆柱形、圆锥形、锥直形和流线形4种喷嘴的切割性能,结果表明:圆柱形喷嘴射流加速过程短,衰减快,切割效果差;圆锥形喷嘴射流加速过程长,衰减过程缓慢,有较长的射流核心段,具有一定的应用价值;锥直形、流线形两种喷嘴的加速过程与衰减过程无显著差异,射流核心段较长,实际切割能力并没有显著差别;在锥直形喷嘴中,出口圆柱段喷嘴长径比为3～4较合适。     

喷嘴出口直径对冷喷涂射流流场及基板最佳位置影响的数值分析

冷喷涂过程中,喷嘴出口后射流流场的波系结构对粒子冲击基板时的速度有很大影响.利用CFD软件Fluent对不同出口直径的喷嘴后单相自由射流和两相冲击射流流场进行了模拟计算.结果表明,喷嘴出口直径对冷喷涂射流流场及粒子冲击速度会产生一定的影响;在喷嘴出口与基板之间存在一个最佳距离使得粒子能够获得较大的冲击速度,该最佳距离会随喷嘴出口直径的增加而线性增加.     

前混合磨料水射流切割参数对表面粗糙度的影响

采用前混合磨料水射流对Q235碳素结构钢进行切割实验,测量样品切口表面粗糙度;研究前混合磨料水射流的切割压力、喷嘴出口直径、切割靶距、切割速度和切割深度对样品切口表面粗糙度的影响规律;结合实验数据,建立表面粗糙度二次非线性回归预测方程。研究结果表明：前混合磨料水射流的切割压力、喷嘴出口直径与表面粗糙度呈负相关关系;切割靶距、切割速度、切割深度与表面粗糙度呈正相关关系;各因素的影响权重大小依次为：喷嘴出口直径、切割深度、切割压力、切割速度、切割靶距;影响表面粗糙度的实质因素为磨料流量和磨料能量;建立的表面粗糙度二次非线性回归预测方程的平均偏差为7.99%。     

基于压痕硬度测试的圆柱形试样表面布氏硬度分析

通过对有色金属材料不同截面形状(圆柱形、平板)的硬度试样进行布氏硬度测试,获得不同压痕形貌及相关形貌特征参数;通过对应平板试样的压痕直径,寻找圆柱形试样压痕硬度特征参数表示方法.结果表明:有色金属圆柱试样布氏硬度压痕特征表现为近似椭圆,通过测定椭圆的长短轴长度,建立圆柱试样椭圆形压痕与平面中圆形压痕的等效关系,从而测得柱面形试样的表面布氏硬度.     

磨料水射流喷嘴收缩段锥角对磨料粒子混合程度的影响

介绍了磨料水射流的起源、用途、特点及抛光原理,针对混合腔内磨料粒子与高压水束混合不均匀而影响抛光表面质量及磨料砂管使用寿命的缺陷,通过对磨料水射流切割喷嘴结构的研究,建立了对称双管供料喷嘴几何模型,并运用CFD软件对喷嘴内部流场进行仿真研究,分析了喷嘴收缩段锥角对磨料粒子和高压水束混合均匀程度的影响。研究结果表明:选择30°和45°的收缩段锥角有利于延长砂管使用寿命及提高磨料粒子与水射流的均匀混合,从而在抛光加工中提高工件表面质量。     

大功率激光水下切割用喷嘴设计

综合考虑激光光束尺寸要求和拉瓦尔喷嘴的设计原理,对喷嘴的稳定段、收缩段、喉口及扩张段进行了设计.稳定段尺寸主要由激光切割枪整体尺寸限制确定,收缩段连接稳定段与喉口段,采用相切圆弧过渡方式,为保证激光顺利通过喉口部位,喉口段直径大于激光光斑直径,扩张段采用直线扩张方式,鉴于切缝宽度限制,扩张角不应过大.根据设计尺寸制造了超音速拉瓦尔喷嘴,喷出氧流速度及挺度得以改善,在激光水下切割试验中,采用局部排水法,较大氧气流量条件下顺利实现了深水条件下30 mm厚碳钢板的高效激光切割,与会聚型喷嘴相比,切割效果改善明显.     

基于FLUENT的水射流冲击力影响因素仿真分析

基于水射流冲击模型,应用FLUENT流体分析软件对喷嘴射流冲击力数值模拟和仿真,得出不同的射流压强、喷距及喷嘴出口直径对射流冲击力及冲击作用区域的影响。结果表明:其他相关因素确定时,射流冲击力随着射流压强的增加而增大,随着喷距的增加先增大、后减小;不同喷嘴出口直径的射流冲击力的比值约为喷嘴出口直径的平方比,射流冲击的作用区域与喷嘴出口直径有关,其面积约为出口直径的2.9倍。     

基于FLUENT的水射流聚焦管几何参数优化研究

基于水射流切割头的物理模型,根据湍流射流的基本方程建立了喷头内部流场的二维数学模型。采用标准k-ε湍流模型并应用FLUENT软件对聚焦管内部流场进行数值模拟,研究聚焦管几何参数对纯水射流速度流场的影响。研究结果表明:聚焦管入口收缩角α、长径比l/d和出口直径d对聚焦管内部速度流场有显著影响,当α=20°、l/d=70时,聚焦管出口射流速度最大。