超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

石油机械CHINA PETROLELM MACHINERY

— 91 —

超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化

王

超

1

董

健

1

鞠少栋1

王俊姬1

朱应利2

王

娟

2

(1.中海油能源发展工程技术公司2.天津科技大学）

摘要：为得到超高压喷嘴的最佳射流特性，提高磨料射流切割设备的作业效率，基于两相流 理论研究了流体和磨料颗粒在喷嘴收缩段和圆柱段内加速的理论计算方法，同时利用计算流体力 学软件FLUENT对喷嘴内外射流特性进行仿真分析，研究喷嘴内、外速度和压力场分布情况，并 对比理论计算与仿真结果。在此基础上，研究收缩段角度和圆柱段长度对喷嘴内、外射流特性的 影响，确定喷嘴内部最优结构尺寸范围。研究结果表明：对于入口直径8 mm、出口直径1射流喷嘴的设计及现场应用提供参考。

关键词：超高压喷嘴；磨料射流；流场分析；结构优化

中图分类号：TE921文献标识码：入如：10.16082/】.（:吐[^吼.100卜4578.2017.06.019

mm

的

喷嘴，圆柱段长度范围宜选取30〜35 mm，收缩角范围宜选取12°〜13。。所得结论可为超高压磨料

Flow Field Analysis and Structure Optimization of

Ultrahigh Pressure Abrasive Water Jet Nozzle

Wang Chao'

Dong Jian1

Ju Shaodong1

Wang Junji1

Zhu Yingli2 Wang Juan2

(1. Engineering Technology Company, CNOOC Energy Technology &Abstract ： To attain the optimal jet characteristics ol ultrahigh pressure nozzle and improve the working effi­

Services Limited； 2. Tianjin University of Science and Technology)

ciency ol abrasive water jet cutting equipment, the calculation method ol accelerating ol fluid and abrasive particles in nozzle cone and cylinder section has been studied based on two-phase flow theory. The FLUENT software has al­so been used to simulate the internal and external jet characteristics ol the nozzle. The velocity and pressure field distribution inside and outside nozzle has been studied, and the theoretical calculation and simulation results have been compared. On the basis ol the study, the influences ol the angle ol the cone section and the length ol the cyl­inder section on the internal and external jet characteristics ol the nozzle have been studied, so that to attain the op­timal structural size range ol the nozzle. The results show that, lor the nozzle with the inlet diameter ol 8 mm and the outlet diameter ol 1 mm，the recommended cylinder section length range is 30 〜35 mm and the cone angle range is

12。〜13 °.

Keywords： ultrahigh pressure nozzle; abrasive jet; llow lield analysis； structural optimization

高速两相流最终形成的发生元件，其对切割系统的

引

百

正常工作及磨料颗粒的加速起着关键性的作用[1]。

超高压射流喷嘴的内部结构形式对其射流流场 特性有较大的影响，特别是圆柱段长度与收缩段角 度，直接影响流体及磨料的加速和射流特性。超高 压磨料淹没射流对设备性能的要求很高，无法直接

0

磨料射流切割技术可利用高速固体颗粒对材料 的冲蚀切削作用实现结构物切除，其设备压力越高， 固体颗粒速率越大，结构物切除效率越高。喷嘴是 *

*基金项目：中国海洋石油总公司项目“高压磨料射流井下切割机具研制”（CNOOC-KJ125ZDXM12LTD03NF(X2014-06);中海油能

源发展股份有限公司科技项目“磨料射流切割管柱执行机构研制”（HFKJ-GJ2015009)。

一 92 —石油机械2017年第45卷第6期

利用试验手段测量流体和磨料颗粒在喷嘴内外的速 度分布[2]。随着计算流体力学（CFD)可靠性不 断提高，CFD软件在流场分析方面得到了广泛应 用[3—5]。国内对喷嘴内部流场和粒子加速运动做了 大量的研究[6—8]，但仅限于中低压工况下的研究， 涉及高压及超高压喷嘴内固液两相流特性研究的文 献很少。

笔者利用理论方法和FLUENT软件对超高压磨 料射流喷嘴内部射流特性进行对比分析，研究了喷 CD

为曳力系数；p为水密度，kg/m3; p为人口压 将上式整理后可得磨料颗粒在收缩段内的运动

力，Pa; t为时间，s; x为喷嘴内部点位置，m。方程：

dup _ Ud，

3 Cdp _UP)

3p du

d,

（4Pp+2P)dp(U+2Pp+，

(2)

已知水流速度u，利用式（2)就可求出粒子运 动速度up。设水和磨料人口初速度为u0，根据喷嘴 嘴圆柱段长度和收缩段角度变化对其内部流场与磨 料加速规律的影响，从而优化出最佳的超高压喷嘴 结构，以期为超高压磨料射流喷嘴的设计及现场应 用提供参考。

1

喷嘴内固液两相流理论分析

磨料射流固体颗粒的加速过程主要在喷嘴的收 缩段和圆柱段内完成，固体颗粒的加速越充分，粒 子的最终速度就越接近流体的最终速度，射流的传 输效率也就越高。

图1为超高压磨料射流锥直形喷嘴内部结构参 数示意图。图中：D为人口段直径，m; L为收缩 段长度，m; /为圆柱段长度，m; ^为喷嘴出口直 径，m; a为收缩角，（°)。磨料颗粒的加速主要 分为3个阶段，即高压管线内的加速、喷嘴收缩段 内的加速和喷嘴圆柱段内的加速。

图1喷嘴内部结构参数示意图

Fig. 1 Schematic diagram of the inner structure of the nozzle1.1

磨料颗粒在喷嘴收缩段内的加速

假设磨料和水以相同的速度进人喷嘴，在收缩 段内，水的压力能转化为动能，水和磨料同时加 速，但水的加速度大于磨料的加速度，两相速度形 成新的不平衡，此时，颗粒的运动方程满足[9]:

6

dP = 8 (从 _ 〜）2 _

—nd

d

(u _ Up)6

d t

(1)

式中：up为磨料颗粒速度，m/s;

u

为水流速度，

m/s; dp

为粒子直径，m; pp为粒子密度，kg/m3;

内部结构参数几何关系，水流平均速度u可近似为：

u _

------------------D2

2u0 x e [0,

L]

(3)

D _ 2xtan( a/2)

1. 2

磨料颗粒在喷嘴圆柱段内的加速

圆柱段内水流速度的变化较小，可假定常数为 u

，此时磨料颗粒的运动方程为：

du^

3C dP

dx (4p p + 2p) dp(u _ up)2

(4)

令

3 I

C D P

+ ，在颗粒初始速度

(4Pp2P) dp

V

)处可得：

_x( upu) _

ln

u pu

+

1 _ u 0u pu

1 _ u 0

(5)

式中：u〇 _ up〇/u，upu _ up/u，u〇和upu分别为磨料

颗粒的初始无因次速度和无因次速度；up)为颗粒 在人口处速度，m/s。2喷嘴射流特性数值模拟

2. 1

流场模型

锥直形喷嘴内部二维流场模型及网格划分如图 2所示。

图2锥直形喷嘴内部流场分析模型

Fig. 2 Analysis model of the inner flow field

of the cone-shaped nozzle

对喷嘴流场模型做如下理论假设[1〇-11]： (1)流场中只存在磨料颗粒相和流体相;

2017年第45卷第6期王超等：超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化一 93 —

(2) (3)

磨料颗粒看作刚性的等径小球，磨料颗示 。由图4a可知，收缩段水和磨料同时被加速，

加速度相近，且水的速度始终大于磨料的速度。进 速度大于水的加速度，磨料与水的速度不断接近。 喷嘴出口处的核心区使磨料继续加速一段距离，之 后两相速度迅速减小，而磨料颗粒密度和惯性较 大，速度衰减比较慢。磨料最大速度一般出现在喷嘴外5

PLE

粒在流场中均匀分布；颗粒与颗粒间无碰撞；

(4) 流动为定常的二维流动。2. 2

求解控制

磨料颗粒与流体相之间不存在质量交换， 人圆柱段后，水和磨料仍做加速运动，但磨料的加

2. 2. 1 求解器设置

选用二维稳态隐式求解器和欧拉两相流模型， 湍流方程采用标准k-s模型，SIM算法，动量

方程采用二阶迎风格式进行离散，体积分数采用一

阶迎风格式进行离散。2. 2. 2

入口边界条件

人口边界条件为速度人口，流量为20 L/min，

人口速度为8. 3 m/s，磨料体积分数为10%。考虑

液体相的湍动能，人口湍流强度可表示为：

/.iUil

^〇. 16( Re DH) -1/8

(6)

avg

式中：^为湍流脉动速度，m/s;〜vg为平均速度，

m/s; ReDH为按水力直径计算得到的Reynolds数

，

由于喷嘴人口为圆形管径，所以水力直径即为圆管 的内径，m。2.2.3出口边界条件

出口边界条件为压力出口，数值大小为1个标 准大气压，即p=101.325 kPa。2.2.4壁面边界条件

壁面流体相满足无滑移条件，颗粒相满足滑移 条件，计算域近壁区采用壁面函数处理，壁面处

k

和^为0,考虑内壁的表面粗糙度。

2. 2. 5 参数设置液相参数：水的密度取998.2 kg/m3,水的动

力黏度 0.001 003 kg/s。

固相参数：颗粒选用石榴石，粒径0.2 mm， 密度 2 650 kg/m3,动力黏度 8x10-4kg/s。2. 3

喷嘴流场仿真分析

设定喷嘴人口直径D = 8 mm，出口直径^ = 1 mm

，建立喷嘴内、外的流场模型进行计算分析。 水流和磨料颗粒在喷嘴内、外的速度场分布情况如 图3所示。由图可知，水和磨料颗粒在喷嘴内、夕卜 的速度分布规律基本一致，流体在收缩段尾部和加 速段内急剧加速，出口速度均匀。当射流离开喷嘴 后与周围环境介质发生质量和动量交换，射流于表 面开始扩散，并逐渐向轴心发展，在喷嘴外部一-定 距离内形成一个锥形的等速流核心区。

水和磨料在喷嘴中线上的速度分布情况如图 4a所示。喷嘴内、外压力场的分布情况如图4b所

b.磨料速度分布

图3喷嘴内、外两相流速度分布云图

Fig. 3 The two-phase llow velocity distribution inside

and outside the nozzle

-旦

涵0

银

00

喷嘴内位置/m *50a.中轴线上水和磨料速度

■

50

00

50

0.00

0

0.02

0.04 0.06 0.08 0.10

b喷嘴内位置/m .中轴线上压力

图

喷嘴内、外流场速度与压力变化曲线

Flg-

The flow field velocity and pressure curve

inside and outside nozzle

一 94 一石油机械2017年第45卷第6期

图4b可知，收缩段前半部分压力下降缓慢，

而收缩段尾部和圆柱段内，压力迅速减小，这是由 于缩颈使喷嘴人口处的压力能逐渐转化成水和磨料 的动能。喷嘴内部压力最大值位于收缩段与圆柱段 连接处，过高压力变化会给设备造成较大负担，应 考虑设置圆角来减小压力突变。

2.4理论计算与仿真结果对比

度曲线越来越接近，而人口压力随圆柱段长度的增 加不断增大，同时压力损失不断增加，即圆柱段长 度越短，能量损失越小，越有利于得到更好的射流 特性。

不同圆柱段长度对应的磨料速度增长率及人口 压力如表1所示。分析表1可知，当喷嘴圆柱段长 度大于30 mm时，出口流速增长明显变缓，速度 增长率小于1%

，

水流在喷嘴收缩段内得到加速，刚开始速度增 加很缓慢，在收缩段结束前速度急剧增加，如图

继续增加圆柱段长度对于切割效

果提升影响较小。考虑圆柱段长度太长不利于喷嘴 5a所示。磨料颗粒在收缩段内变化规律跟水流一

致，同时磨料颗粒在圆柱段内还会继续加速，但力口 速度显著减小，如图5b所示，颗粒加速同时速度 增量所需的路程也越长。

Fig. 5 Comparison of theoretical and simulation results

从颗粒加速角度来看，圆柱段长度存在经济最 佳值。由图5可知，理论计算结果与仿真分析结果 变化曲线非常接近。3

喷嘴内部结构优化

3.1圆柱段长度优选

在磨料射流切割中，磨料颗粒速度越大，对应 的磨料冲击能量越大，切割效果就越明显，喷嘴内 部结构设计时保证出口处磨料速度与水的速度越接 近越好。不同圆柱段长度对应的喷嘴出口两相流速 度和人口压力变化曲线如图6所示。随着圆柱段长 度增加，水和磨料速度先增大随之稳定，且2条速

内孔的成型和加工，为此推荐喷嘴圆柱段长度为

30〜35 mm。

r

rm)银/^_4s

29

ss 27/ 2

5-mR2 3

a2 1

Y 19

17

0

10 20 圆柱30段 长度40 50 60 70

压/mm力

b.入口处图6不同圆柱段长度对应的射流特性变化曲线 Fig. 6 Curve of jet characteristics corresponding

to the different cylindrical section lengths表1速度和压力增长率

Table 1 The growth rate of velocity and pressure

l/d

磨料速度增长/

(m.s_1)速度增长率/%

人口压力/MPa

4~1027.492 55.42188-20510-1514. 078 22.63205-21515-2011.895 52. 17215-22720-258. 054 91.43227-23725-306. 544 01. 15237-24830-354. 358 70.75248-25635-403.511 00.61256-26640-451. 453 60.25266-27545-501. 118 60. 19275-28550-550. 792 90. 14285-29455-60

0. 895 5

0. 15

294-304

2017年第45卷第6期王超等：超高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化—95 —

3.2收缩段内角度优选

取圆柱段长度为30 mm，研究收缩段内角度变 化对喷嘴射流特性的影响，不同收缩角对应的喷嘴 出口两相流速度变化曲线如图7所示。由图可知， 随着收缩角的增大，出口处水最大流速不断减小， 磨料最大速度先缓慢增加后不断减小，推荐收缩角 为 12°〜13°。

[2] [1]

参考文献

王洪伦，龚烈航，武光华.前混合磨料高压水射流

切割喷嘴的数值模拟[J].解放军理工大学学报 (自然科学版），2007, 8 (4): 387-390.

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BABETS K E

[6]

Fig. 7 The exit two-phase llow speed corresponding

to different cone angles

[7]

4结论

[8]

水和磨料颗粒在喷嘴内、外的速度分布

[9]

王明波，王瑞和.喷嘴内液固两相射流流场的数值 模拟[J].中国石油大学学报（自然科学版）， 2005, 29 (5)： 46-49.杨国来，李强，陈俊远，等.磨料喷嘴内磨料颗粒 加速机理分析[J].机床与液压，2011，39 (19)： 54-57.

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(1)

规律基本一致，收缩段尾部和加速段内急剧加速， 出口速度均匀，当射流离开喷嘴后与周围环境介质 发生质量和动量交换，射流于表面开始扩散并逐渐 向轴心发展，在喷嘴外部一定距离内形成一个锥形 的等速流核心区。

(2)

[10]

喷嘴射流特性研究结果表明：收缩段内

[11]

水和磨料同时被加速，且水的速度始终大于磨料的 速度；圆柱段磨料的加速度大于水的加速度，磨料 与水的速度不断接近；核心区磨料继续加速，之后 两相速度迅速减小，而磨料颗粒密度和惯性较大， 速度衰减比较慢，磨料最大速度一般出现在喷嘴外

5 mm 处。

(3)

第一作者简介：王超，工程师，2005年毕业于南京工业大学金属材料专业，现从事海上油气井弃置及磨料射

流切割技术应用研究工作。地址：（300452)天津市塘沽区。E-mail： wangchao5@ cnooc. com. cn。对

通信作者：鞠少栋，电话：（022) 25804959。E-mail：jushd2@ cnooc. com. cn。

收稿曰期：2017-01-11

(本文编辑谢守平）

理论计算与仿真分析结果非常接近。

锥直形喷嘴来说，圆柱段长度和收缩角度对射流性 能有较大的影响，出口最大速度随着圆柱段的增长 而增大，随收缩角的增大而减小。通过综合性能分 析，推荐喷嘴最佳射流结构为：圆柱段长度范围

30〜35 mm，收缩角范围12°〜13°。

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