葉建友，呂彥明

（江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122）

基于FLUENT的水射流沖擊力影響因素仿真分析

葉建友，呂彥明

（江南大學(xué)江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122）

基于水射流沖擊模型，應(yīng)用FLUENT流體分析軟件對噴嘴射流沖擊力數(shù)值模擬和仿真，得出不同的射流壓強(qiáng)、噴距及噴嘴出口直徑對射流沖擊力及沖擊作用區(qū)域的影響。結(jié)果表明：其他相關(guān)因素確定時(shí)，射流沖擊力隨著射流壓強(qiáng)的增加而增大，隨著噴距的增加先增大、后減??；不同噴嘴出口直徑的射流沖擊力的比值約為噴嘴出口直徑的平方比，射流沖擊的作用區(qū)域與噴嘴出口直徑有關(guān)，其面積約為出口直徑的2.9倍。

水射流；沖擊力；數(shù)值模擬；影響因素

水射流的應(yīng)用廣泛，常見于消防、噴灌、清洗、切割等國民生產(chǎn)生活領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者對其特性也不乏研究。Nie Baisheng等[1]分析了磨料水射流撞擊壁面的流場變化，得到?jīng)_擊壓力的大小與輸入壓強(qiáng)有關(guān)，與壁面距噴嘴的距離成反比。Rajaratnam等[2]對噴嘴外水射流的速度與水體積分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Leach等[3]研究了射流沖擊壁面的壓力分布，得到噴嘴的幾何形狀影響著射流軸心的壓力。Leu等[4]對射流的結(jié)構(gòu)和流場特性進(jìn)行了研究，并將射流劃分為不同區(qū)域。沈忠厚等[5-8]通過實(shí)驗(yàn)的方法對淹沒條件下的噴距對射流沖蝕巖石的影響及非自由射流沖擊產(chǎn)生的壓力變化規(guī)律進(jìn)行了分析；對射流位于軸心的壓力衰減及分布提出了計(jì)算方法；對由脈沖噴嘴產(chǎn)生的自由淹沒射流的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析；還研究了自振空化射流的壓力特性與其參數(shù)的影響規(guī)律，且均在常壓下進(jìn)行。衣正堯等[9-10]提出水射流沖擊時(shí)流體建模的新方法，通過建立的沖擊模型數(shù)值模擬了湍流時(shí)的噴射流場及水射流沖擊速度場，仿真分析了不同壓強(qiáng)、口徑及靶距下的流場特性。

上述研究都是基于高壓或超高壓水射流的沖擊特性進(jìn)行的仿真，而對于低壓水射流的沖擊特性的仿真分析還沒有研究。本文應(yīng)用FLUENT流體分析軟件，對低壓水射流的沖擊特性進(jìn)行了仿真分析，為其在新領(lǐng)域（如水射流的輔助支撐）的應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 射流沖擊的建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型與邊界條件

以噴嘴出口直徑2.0 mm為例，通過三維軟件UG建立射流沖擊的幾何模型，包括噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域及外部空間環(huán)境區(qū)域（圖1），將幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界指定，對噴嘴出口及壁面中心部分進(jìn)行局部加密處理，外部空間區(qū)域長度（噴距）為不定值，根據(jù)需要設(shè)定，區(qū)域的徑向范圍較大，以滿足在射流沖擊壁面時(shí)不產(chǎn)生逆向的回流而對結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖1 幾何模型建立

射流經(jīng)噴嘴噴出，穿過大氣后對壁面產(chǎn)生沖擊作用，在非淹沒條件下，流體介質(zhì)設(shè)定為水，環(huán)境介質(zhì)為空氣。如圖2所示，入口為噴嘴壓強(qiáng)入口，初始時(shí)，水相的體積分?jǐn)?shù)為1；出口為射流壓強(qiáng)出口（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；壁面為無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面；L為噴距，可根據(jù)仿真需要進(jìn)行設(shè)置。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界指定

1.2 求解方法與計(jì)算模型

本文選用分離求解器，采用隱式方案求解，并采用工程上廣泛應(yīng)用的流場求解計(jì)算方法——SIMPLE算法。FLUENT中的計(jì)算模型包括多相流模型、能量方程、黏性模型等多種，本文是對非淹沒條件下的射流進(jìn)行沖擊仿真分析，其間存在氣液兩相流，且發(fā)生湍流流動(dòng)，所以主要考慮多相流模型和黏性模型兩種模型。

2 射流沖擊力的影響因素分析

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可得射流垂直沖擊平板的沖擊力：

式中：ρ為噴嘴內(nèi)水的密度，kg/m3；d為噴嘴出口直徑，mm；P為噴嘴入口流體壓強(qiáng)，MPa。

由式（1）可知，對于射流沖擊力F來說，射流壓強(qiáng)及噴嘴出口直徑是重要的影響因素。對于射流作為輔助支撐來說，射流壓強(qiáng)是關(guān)鍵的影響因素，直接影響沖擊力的大小，也反映射流速度的大小。對于理想射流，其特點(diǎn)是射流截面保持不變，各截面的速度分布保持均勻，射流的特性不隨噴距的變化而變化。實(shí)際上，由射流的流動(dòng)特性可知，射流在運(yùn)動(dòng)過程中隨著噴距的變化會產(chǎn)生變化，其對物體的沖擊力也隨之發(fā)生變化，如受到空氣阻力的影響，動(dòng)能逐漸降低，速度逐漸減小，噴距增大，射流到達(dá)工件表面的擴(kuò)散程度增大，沖擊力損失變大，噴距過大或過小都會對射流沖擊力產(chǎn)生影響，因此，在射流壓強(qiáng)確定時(shí)存在著最佳的靶距。

為了對非淹沒連續(xù)射流的沖擊力特性進(jìn)行較好的分析，下面將采用FLUENT軟件[12]進(jìn)行射流沖擊力的仿真分析，主要研究射流壓強(qiáng)、噴距及噴嘴出口直徑對射流沖擊力的影響。

2.1 射流壓強(qiáng)對射流沖擊力的影響

在噴嘴出口直徑、噴距確定時(shí)，對不同射流壓強(qiáng)下的射流沖擊力進(jìn)行仿真。

當(dāng)噴嘴出口直徑為2.0 mm、噴距為20 mm、射流壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)，其仿真結(jié)果見圖3，可知射流對壁面的沖擊壓力最大值為29.3 N。

圖3 射流壓強(qiáng)5 MPa時(shí)沖擊力分布線圖

同樣，分別取射流壓強(qiáng)為1、2、3、4、6 MPa時(shí)進(jìn)行仿真分析。采用Origin軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理。如圖4所示，隨著射流壓強(qiáng)的增加，射流沖擊力隨之增大，且基本成線性變化，可見仿真結(jié)果與理論結(jié)果變化趨勢一致；但存在一定的誤差，這是因?yàn)槔碚摴讲⑽纯紤]噴距對射流沖擊力的影響。

圖4 不同射流壓強(qiáng)下的射流沖擊力

2.2 噴距對射流沖擊力的影響

在噴嘴出口直徑、射流壓強(qiáng)確定時(shí)，對不同噴距下的射流沖擊力進(jìn)行仿真。

當(dāng)噴嘴出口直徑為2.0 mm、射流壓強(qiáng)為5 MPa時(shí)，分別取噴距為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm進(jìn)行仿真，采用Origin軟件對仿真結(jié)果進(jìn)行分析處理，結(jié)果見圖5。

圖5 不同噴距下的射流沖擊力

由式（1）可知，噴距對射流沖擊力的大小并不產(chǎn)生直接影響，即理論值是恒定的；實(shí)際上，射流的速度及結(jié)構(gòu)隨著噴距的變化會發(fā)生改變，其對物體的沖擊力也會發(fā)生改變。如仿真結(jié)果所示，射流沖擊力隨著噴距的增大先增大、后減小，且沖擊力的仿真結(jié)果在理論計(jì)算結(jié)果附近上下波動(dòng)。根據(jù)已知研究結(jié)果[13]，射流在空氣中沖擊物體時(shí)，在起始處隨著噴距的增大，沖擊力會增加；當(dāng)噴距達(dá)到一定值時(shí)，沖擊力的數(shù)值達(dá)到最大；以后隨著噴距的增加，沖擊力開始減小，即射流沖擊物體時(shí)存在著最佳噴距，可見仿真結(jié)果趨勢與此研究結(jié)果吻合。

2.3 噴嘴出口直徑對射流沖擊力的影響

在射流壓強(qiáng)、噴距確定時(shí)，對不同噴嘴出口直徑下的射流沖擊力進(jìn)行仿真。

當(dāng)射流壓強(qiáng)為5 MPa、噴距為50 mm時(shí)，對噴嘴出口直徑分別為2.0 mm、1.2 mm進(jìn)行仿真分析，沖擊力的仿真結(jié)果見表1。

表1 不同噴嘴出口直徑對壓力的影響

由式（1）可知，在確定射流壓強(qiáng)和噴距后，不同噴嘴出口直徑的射流沖擊力比值為：

由表1可知，噴嘴出口直徑分別為2.0 mm及1.2 mm時(shí)，射流沖擊力的仿真結(jié)果約為33.36 N和11.89 N，其比值約為2.81，與理論結(jié)果基本吻合。

如圖6所示，在確定射流壓強(qiáng)和噴距后，不同噴嘴出口直徑下的射流沖擊作用區(qū)域也不同。當(dāng)噴嘴出口直徑為1.2 mm時(shí)，射流沖擊的主要作用面積約為半徑1.74 mm的圓形區(qū)域，約為噴嘴出口直徑的2.9倍的區(qū)域；當(dāng)噴嘴出口直徑為2.0 mm時(shí)，射流沖擊的作用面積約為半徑2.9 mm的圓形區(qū)域，約為噴嘴出口直徑的2.9倍的區(qū)域。

圖6 不同噴嘴出口直徑下沖擊壓力的徑向分布

3 結(jié)論

（1）當(dāng)噴距及噴嘴出口直徑確定時(shí)，射流沖擊力隨著射流壓強(qiáng)的增加而增大。

（2）當(dāng)射流壓強(qiáng)及噴嘴出口直徑確定時(shí)，射流沖擊力隨著噴距的增加先增大、后減小，且射流沖擊時(shí)存在最佳噴距。

（3）當(dāng)射流壓強(qiáng)及噴距確定時(shí)，射流沖擊力的比值約為噴嘴出口直徑的平方比，射流沖擊的作用區(qū)域與噴嘴出口直徑有關(guān)，且基本上為出口直徑的2.9倍的區(qū)域。

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[13]陸劍中，孫佳寧.金屬切削原理與刀具[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

書訊

《第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集》

《第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集》共收錄論文165篇，分上、下二冊，全面展示了近年來我國特種加工領(lǐng)域?qū)W術(shù)理論研究和自主技術(shù)創(chuàng)新的成果。上冊由綜述、電火花成形加工、電火花線切割加工、電火花微細(xì)加工、電弧加工5個(gè)部分組成，下冊由電化學(xué)加工、激光加工、增材制造、超聲加工、其他特種加工5個(gè)部分組成。本書可供特種加工領(lǐng)域的專家學(xué)者、科技人員、管理干部、技術(shù)工人及院校師生閱讀和參考。每套收取工本費(fèi)100元（含郵費(fèi)）。

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Simulation and Analysis on the Influence Factors of Water Jet Impact Force Based on FLUENT

Ye Jianyou，Lü Yanming
（Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Based on water jet impact model，the jet impact numerical simulation and simulation analysis was carried out by FLUENT.The content include the effect of different jet pressures，jet distances and the diameters of nozzle outlet on jet impact force and area.The results indicate that impact force increases with the increase of jet pressure，decreases after first increase with the increase of target distance when other related factors was determined.The ratio of impact is approximately equal to the nozzle exit diameter ratio of the square.Jet impact area is related to the nozzle exit diameter，its area is about 2.9 times of the exit zone.

water jet；impact force；numerical simulation；influence factor

TP6

A

1009－279X（2014）06－0050-03

2014-07-22

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻項(xiàng)目（BY2013015-13）

葉建友，男，1988年生，碩士研究生。