基于FLUENT的水射流冲击力影响因素仿真分析

叶建友，吕彦明

（江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122）

基于FLUENT的水射流冲击力影响因素仿真分析

叶建友，吕彦明

（江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡214122）

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。

水射流；冲击力；数值模拟；影响因素

水射流的应用广泛，常见于消防、喷灌、清洗、切割等国民生产生活领域。国内外学者对其特性也不乏研究。Nie Baisheng等[1]分析了磨料水射流撞击壁面的流场变化，得到冲击压力的大小与输入压强有关，与壁面距喷嘴的距离成反比。Rajaratnam等[2]对喷嘴外水射流的速度与水体积分布进行了实验研究。Leach等[3]研究了射流冲击壁面的压力分布，得到喷嘴的几何形状影响着射流轴心的压力。Leu等[4]对射流的结构和流场特性进行了研究，并将射流划分为不同区域。沈忠厚等[5-8]通过实验的方法对淹没条件下的喷距对射流冲蚀岩石的影响及非自由射流冲击产生的压力变化规律进行了分析；对射流位于轴心的压力衰减及分布提出了计算方法；对由脉冲喷嘴产生的自由淹没射流的结构特性进行了分析；还研究了自振空化射流的压力特性与其参数的影响规律，且均在常压下进行。衣正尧等[9-10]提出水射流冲击时流体建模的新方法，通过建立的冲击模型数值模拟了湍流时的喷射流场及水射流冲击速度场，仿真分析了不同压强、口径及靶距下的流场特性。

上述研究都是基于高压或超高压水射流的冲击特性进行的仿真，而对于低压水射流的冲击特性的仿真分析还没有研究。本文应用FLUENT流体分析软件，对低压水射流的冲击特性进行了仿真分析，为其在新领域（如水射流的辅助支撑）的应用打下理论基础。

1 射流冲击的建模

1.1 结构模型与边界条件

以喷嘴出口直径2.0 mm为例，通过三维软件UG建立射流冲击的几何模型，包括喷嘴内部流体区域及外部空间环境区域（图1），将几何模型进行网格划分及边界指定，对喷嘴出口及壁面中心部分进行局部加密处理，外部空间区域长度（喷距）为不定值，根据需要设定，区域的径向范围较大，以满足在射流冲击壁面时不产生逆向的回流而对结果产生影响。

图1 几何模型建立

射流经喷嘴喷出，穿过大气后对壁面产生冲击作用，在非淹没条件下，流体介质设定为水，环境介质为空气。如图2所示，入口为喷嘴压强入口，初始时，水相的体积分数为1；出口为射流压强出口（1标准大气压）；壁面为无滑移标准壁面；L为喷距，可根据仿真需要进行设置。

图2 网格划分及边界指定

1.2 求解方法与计算模型

本文选用分离求解器，采用隐式方案求解，并采用工程上广泛应用的流场求解计算方法——SIMPLE算法。FLUENT中的计算模型包括多相流模型、能量方程、黏性模型等多种，本文是对非淹没条件下的射流进行冲击仿真分析，其间存在气液两相流，且发生湍流流动，所以主要考虑多相流模型和黏性模型两种模型。

2 射流冲击力的影响因素分析

根据文献[11]可得射流垂直冲击平板的冲击力：

式中：ρ为喷嘴内水的密度，kg/m3；d为喷嘴出口直径，mm；P为喷嘴入口流体压强，MPa。

由式（1）可知，对于射流冲击力F来说，射流压强及喷嘴出口直径是重要的影响因素。对于射流作为辅助支撑来说，射流压强是关键的影响因素，直接影响冲击力的大小，也反映射流速度的大小。对于理想射流，其特点是射流截面保持不变，各截面的速度分布保持均匀，射流的特性不随喷距的变化而变化。实际上，由射流的流动特性可知，射流在运动过程中随着喷距的变化会产生变化，其对物体的冲击力也随之发生变化，如受到空气阻力的影响，动能逐渐降低，速度逐渐减小，喷距增大，射流到达工件表面的扩散程度增大，冲击力损失变大，喷距过大或过小都会对射流冲击力产生影响，因此，在射流压强确定时存在着最佳的靶距。

为了对非淹没连续射流的冲击力特性进行较好的分析，下面将采用FLUENT软件[12]进行射流冲击力的仿真分析，主要研究射流压强、喷距及喷嘴出口直径对射流冲击力的影响。

2.1 射流压强对射流冲击力的影响

在喷嘴出口直径、喷距确定时，对不同射流压强下的射流冲击力进行仿真。

当喷嘴出口直径为2.0 mm、喷距为20 mm、射流压强为5 MPa时，其仿真结果见图3，可知射流对壁面的冲击压力最大值为29.3 N。

图3 射流压强5 MPa时冲击力分布线图

同样，分别取射流压强为1、2、3、4、6 MPa时进行仿真分析。采用Origin软件对仿真结果进行分析处理。如图4所示，随着射流压强的增加，射流冲击力随之增大，且基本成线性变化，可见仿真结果与理论结果变化趋势一致；但存在一定的误差，这是因为理论公式并未考虑喷距对射流冲击力的影响。

图4 不同射流压强下的射流冲击力

2.2 喷距对射流冲击力的影响

在喷嘴出口直径、射流压强确定时，对不同喷距下的射流冲击力进行仿真。

当喷嘴出口直径为2.0 mm、射流压强为5 MPa时，分别取喷距为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm进行仿真，采用Origin软件对仿真结果进行分析处理，结果见图5。

图5 不同喷距下的射流冲击力

由式（1）可知，喷距对射流冲击力的大小并不产生直接影响，即理论值是恒定的；实际上，射流的速度及结构随着喷距的变化会发生改变，其对物体的冲击力也会发生改变。如仿真结果所示，射流冲击力随着喷距的增大先增大、后减小，且冲击力的仿真结果在理论计算结果附近上下波动。根据已知研究结果[13]，射流在空气中冲击物体时，在起始处随着喷距的增大，冲击力会增加；当喷距达到一定值时，冲击力的数值达到最大；以后随着喷距的增加，冲击力开始减小，即射流冲击物体时存在着最佳喷距，可见仿真结果趋势与此研究结果吻合。

2.3 喷嘴出口直径对射流冲击力的影响

在射流压强、喷距确定时，对不同喷嘴出口直径下的射流冲击力进行仿真。

当射流压强为5 MPa、喷距为50 mm时，对喷嘴出口直径分别为2.0 mm、1.2 mm进行仿真分析，冲击力的仿真结果见表1。

表1 不同喷嘴出口直径对压力的影响

由式（1）可知，在确定射流压强和喷距后，不同喷嘴出口直径的射流冲击力比值为：

由表1可知，喷嘴出口直径分别为2.0 mm及1.2 mm时，射流冲击力的仿真结果约为33.36 N和11.89 N，其比值约为2.81，与理论结果基本吻合。

如图6所示，在确定射流压强和喷距后，不同喷嘴出口直径下的射流冲击作用区域也不同。当喷嘴出口直径为1.2 mm时，射流冲击的主要作用面积约为半径1.74 mm的圆形区域，约为喷嘴出口直径的2.9倍的区域；当喷嘴出口直径为2.0 mm时，射流冲击的作用面积约为半径2.9 mm的圆形区域，约为喷嘴出口直径的2.9倍的区域。

图6 不同喷嘴出口直径下冲击压力的径向分布

3 结论

（1）当喷距及喷嘴出口直径确定时，射流冲击力随着射流压强的增加而增大。

（2）当射流压强及喷嘴出口直径确定时，射流冲击力随着喷距的增加先增大、后减小，且射流冲击时存在最佳喷距。

（3）当射流压强及喷距确定时，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，且基本上为出口直径的2.9倍的区域。

[1]Nie Baisheng，Wang Hui.Numerical investigation of the flow field inside and outside high-pressure abrasive waterjet nozzle[J].Procedia Engineering，2011，26：48-55.

[2]Rajaratnam N，Albers C.Water distribution in very high velocity water jets in air[J].Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（6）：647-650.

[3]Leach S J，Walker G L，Smith A V.Some aspects of rock cutting by high speed water jets[J].Philosophical TransactionsoftheRoyalSocietyofLondon，1966，260（1110）：295-310.

[4]Leu M C，Meng P.Mathematical modeling and experimental verification of stationary water jet cleaning process [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，1998，120：571-579.

[5]王德新，沈忠厚.在淹没条件下喷咀距离对射流冲蚀岩石体积影响的实验研究[J].华东石油学院学报，1983（1）：21-28.

[6]孙庆孝，沈忠厚.淹没非自由射流压力衰减规律的实验研究及井底水力参数计算[J].石油大学学报（自然科学版），1986（1）：26-40.

[7]孙宝江，沈忠厚.脉冲喷嘴射流特性试验研究[J].石油大学学报（自然科学版），1992（4）：32-35.

[8]李根生，沈忠厚，周长山，等.自振空化射流冲击压力脉动特性实验研究[J].水动力学研究与进展，2003，18（5）：571-575.

[9]衣正尧，王兴如，刘富强，等.纯水射流冲击性能的CFD建模与仿真分析[J].液压气动与密封，2012（1）：54-57.

[10]衣正尧，武剑，刘富强，等.纯水射流除锈性能的仿真对比分析与试验研究[J].流体机械，2012，40（6）：5-9.

[11]韩占忠，王国玉.工程流体力学基础[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[12]朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT流体分析工程案例精讲[M].北京：电子工业出版社，2010.

[13]陆剑中，孙佳宁.金属切削原理与刀具[M].4版.北京：机械工业出版社，2007.

书讯

《第15届全国特种加工学术会议论文集》

《第15届全国特种加工学术会议论文集》共收录论文165篇，分上、下二册，全面展示了近年来我国特种加工领域学术理论研究和自主技术创新的成果。上册由综述、电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花微细加工、电弧加工5个部分组成，下册由电化学加工、激光加工、增材制造、超声加工、其他特种加工5个部分组成。本书可供特种加工领域的专家学者、科技人员、管理干部、技术工人及院校师生阅读和参考。每套收取工本费100元（含邮费）。

◆购书款邮汇：[215011]苏州高新区金山路180号电加工与模具编辑部。电话：0512-67274541。

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

江苏省产学研前瞻项目（BY2013015-13）

叶建友，男，1988年生，硕士研究生。