·836 北京科技大学学报 第36卷 32°、34°、36°和39°进行模拟，喷嘴混合腔内部流场 考虑认为喷嘴的收缩角30°更合理. 轴向速度曲线如图11所示，磨料体积分数云图如图 28 26 收缩段锥角30° 12所示. 收缩段维角32 由图11可以看出，在收缩段之前，喷嘴混合腔 3 收缩段锥角34 收缩段维角36 18 内部流场沿竖直轴向方向的速度曲线变化不大，而 16 收缩段锥角39 在收缩段速度急剧上升，斜率几乎竖直.由此可见， 14 10 收缩段是射流加速的核心区域，而且收缩角越小速 6 度增加越快，但是如果收缩角太小就可能导致堵塞 现象发生，加速磨损 由图12可以看出，其他结构参数一定的情况 10203040506070 位置/mm 下，随着混合腔收缩角的增大，整个内部流场的均匀 图11喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线 性变差，而在收缩角较小的情况下流场混合均匀性 Fig.11 Velocity curves of the nozzle's mixing chamber interal flow 比较理想.这是由于收缩角较小的情况下，会增加 field in the axial direction 固液两相流在混合腔体内混合的时间.因此，综合 0.300 0 001 图12磨料体积分数云图.(a)a=30°：(b)a=32:(c)a=34°：(d)a=36°；(c)a=39° Fig.12 Contours of abrasive volume fraction:(a)a=30°：(b)a=32:(c）a=34°：(d)a=36°：(e）a=39° 2.5高压水入口角度的影响 28 一高压水入口角度15 采用磨料中进式，其他参数不变的情况下分别 24 高压水人口角度30° 高压水人口角度45° 对磨料入口直径为1.4mm,高压水入口直径为1.6 20 高压水人口角度60 18 mm,高压水入口位置L为52mm,收缩段锥角a为 16 30°，高压水入口角度0分别为30°、45°、60°、75°和 4 90°进行模拟，喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线如 0 图13所示，磨料体积分数云图如图14所示. 4 由图13可以看出，两侧高压水入口与竖直方向 的角度对流场的速度影响较大，其中0为45°和60° -0 10 20 3040506070 时，在磨料与高压水接触处（图12中5~15mm处） 位置mm 两相发生相互作用波动较大，且在随后的区域内出 图13喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线 现了速度为零的滞流区域，这是不希望出现的.因此， Fig.13 Velocity curves of the nozzle's mixing chamber intermal flow field in the axial direction 两侧高压水与竖直方向夹角为15°~30°较为合理. 由图14中可以看出，两侧高压水流进入到混合 为高压水入口角度为30°更为合理 腔内由于存在角度，阻碍了磨料射流的进入·如果 3结论 0太大就容易形成滞流区，使得流场混合不均匀；而 如果日较小，磨料射流与高压水射流相遇较晚，两者 (1)前混合式磨料水射流喷嘴混合腔采用磨料 的充分混合主要发生在锥形收缩段，这样会加快喷 中进式不仅流场混合均匀性优于磨料侧进式，而且 嘴混合腔的磨损减少喷嘴寿命.因此，综合比较认 更有利于对磨料的充分加速北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 32°、34°、36°和 39°进行模拟，喷嘴混合腔内部流场 轴向速度曲线如图 11 所示，磨料体积分数云图如图 12 所示． 由图 11 可以看出，在收缩段之前，喷嘴混合腔 内部流场沿竖直轴向方向的速度曲线变化不大，而 在收缩段速度急剧上升，斜率几乎竖直． 由此可见， 收缩段是射流加速的核心区域，而且收缩角越小速 度增加越快，但是如果收缩角太小就可能导致堵塞 现象发生，加速磨损． 由图 12 可以看出，其他结构参数一定的情况 下，随着混合腔收缩角的增大，整个内部流场的均匀 性变差，而在收缩角较小的情况下流场混合均匀性 比较理想． 这是由于收缩角较小的情况下，会增加 固液两相流在混合腔体内混合的时间． 因此，综合 考虑认为喷嘴的收缩角 30°更合理． 图 11 喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线 Fig． 11 Velocity curves of the nozzle’s mixing chamber internal flow field in the axial direction 图 12 磨料体积分数云图． ( a) α = 30°; ( b) α = 32°; ( c) α = 34°; ( d) α = 36°; ( e) α = 39° Fig． 12 Contours of abrasive volume fraction: ( a) α = 30°; ( b) α = 32°; ( c) α = 34°; ( d) α = 36°; ( e) α = 39° 2. 5 高压水入口角度的影响 采用磨料中进式，其他参数不变的情况下分别 对磨料入口直径为 1. 4 mm，高压水入口直径为 1. 6 mm，高压水入口位置 L 为 52 mm，收缩段锥角 α 为 30°，高压水入口角度 θ 分别为 30°、45°、60°、75°和 90°进行模拟，喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线如 图 13 所示，磨料体积分数云图如图 14 所示． 由图 13 可以看出，两侧高压水入口与竖直方向 的角度对流场的速度影响较大，其中 θ 为 45°和 60° 时，在磨料与高压水接触处( 图 12 中 5 ～ 15 mm 处) 两相发生相互作用波动较大，且在随后的区域内出 现了速度为零的滞流区域，这是不希望出现的． 因此， 两侧高压水与竖直方向夹角为 15° ～ 30°较为合理． 由图 14 中可以看出，两侧高压水流进入到混合 腔内由于存在角度 θ，阻碍了磨料射流的进入． 如果 θ 太大就容易形成滞流区，使得流场混合不均匀; 而 如果 θ 较小，磨料射流与高压水射流相遇较晚，两者 的充分混合主要发生在锥形收缩段，这样会加快喷 嘴混合腔的磨损减少喷嘴寿命． 因此，综合比较认 图 13 喷嘴混合腔内部流场轴向速度曲线 Fig． 13 Velocity curves of the nozzle’s mixing chamber internal flow field in the axial direction 为高压水入口角度为 30°更为合理． 3 结论 ( 1) 前混合式磨料水射流喷嘴混合腔采用磨料 中进式不仅流场混合均匀性优于磨料侧进式，而且 更有利于对磨料的充分加速． ·836·