论文总字数：21220字

摘 要

关键词：水射流，喷头，仿真，优化，设计。

The structure design of the nozzle in high pressure cleaning machine and the simulation of water shape when water flow through it.

02012118 Yucheng Liao

Supervised by Yan Zhang，Kai Liu

Abstract:The paper is mainly based on the design of the water jet nozzle in a high pressure cleaning machine.Firstly,paper test the actual nozzle ,and compare the data of simulation which water flow through the same nozzle model.Then validate if the CFD software can actually simulate the flow field in nozzle.paper investigate the effect of the length of guide hole on nozzle performance,and show that 20mm is the most effective length of guide hole.in the end of research. Paper designs two structure of the nozzle . The new nozzles are more effective. In the end,paper simulate the water shape when it flow through the given nozzle.

Keywords:Water jet,nozzle,simulation,optimization,design.

目录

第一章，绪论 1

1.1课题简介 1

1.1.1课题来源 1

1.1.2课题研究背景及意义 1

1.2国内研究现状 1

1.3理论分析与设计思路 2

1.3.1理论分析 2

1.3.2方案分析与设计路线 4

第二章，喷嘴实验测试与有限元分析验证 6

2.1实际实验 6

2.2仿真实验 9

第三章，喷嘴结构优化与仿真 19

3.1优化实验 19

3.1.1模型建立 19

3.1.2预处理 20

3.1.3边界条件及计算模型设置 21

3.1.4仿真过程及结果分析 22

3.1.5分析 34

3.1.6结论 42

第四章，喷嘴结构设计与水形仿真 43

4.1设计 43

4.1.1 喷头结构的确定 43

4.1.2参数确定 43

4.2图纸绘制 47

4.3仿真实验 47

4.3.1方案一 47

4.3.2方案二 49

方案优化点 51

总结 52

个人感想 53

致谢 54

参考文献： 55

附录 56

第一章，绪论

1.1课题简介

1.1.1课题来源

本课题产生于东南大学卓越工程师培养计划，落实至机械工程学院即是由苏美达机电公司与机械工程学院联合授课的培养计划。该课题由苏美达机电公司提出，由机械学院老师指导学生完成，并联合验收。由于苏美达机电公司为一五金电动工具公司，清洗机为其中的一款产品，而作为工作效率重要一环的喷头，仔细设计可为产品提升诸多竞争力。所以为提高学生设计与实践能力，提出设计高压清洗机水射流喷嘴结构设计的课题。

1.1.2课题研究背景及意义

为契合节能社会建设的原则，新型清洗喷头由于清洗效果好，能节约大量的水资源与能源，中国人均用水量长期处于贫瘠状况，水作为生命之源，其节约行为便具有莫大的意义。现有的高压清洗机设计存在着粗放，经验化的状况，这样的设计思路存在着较高的技术壁垒，及高时间消耗的问题，为了明确问题及简化问题的所在，了解其内在原理，并代入运算，是可依靠的的方法，而且将极大地节约时间与物料成本。再者说，设计计算机化也是今后设计领域的趋势，让一切变得有依据，精细化，这是工业4.0的驱动源所在。而出水水型的仿真则是现阶段粗劣设计的一个补充，能极好的将设计精确化，理论化。对于设计者来说是一个产品验证的定心丸，能节约成本与大量的实验耗时，所以这实际上是新时期的设计实验先行者，能为后来的设计者提供或正或反的范例。

但由于喷头结构简单，基本参数少，所以对于喷头的设计将不能只注重于够用的程度。与下文可以看出喷头的构成只有三个连续的空腔，若不加以精细化设计，将达不到任务的本质，及与本科生毕业设计相当的工作量。所以为体现课题的内在含义，本文将不止步与简单能用的结构设计，而将参数优化，以达到最佳的结构。

1.2国内研究现状

目前高压清洗机水射流喷嘴的研究主要是以射流理论为主，而对与喷嘴结构的研究也有诸多资料。喷嘴的结构主要包括引导孔，渐缩管，喉管，扩散孔这四部分，各个参数的优化均有人做过研究。其中：

Yuejin Yuan[1]等人在使用CFD仿真的基础上对蒸汽喷射热泵的喷嘴的机构参数做了研究。研究中使用的研究方法为实验与软件仿真结合的方式，一方面使得研究变得有依据，另一方面也为后来的研究者提供了软件研究的信心，研究中仿真与实际实验的误差最大为25%，这在仿真的角度上是可接受的误差大小。所以为了将本文的研究简化，文章将使用软件对结构进行优化实验，而实验方法的准确性会采用实际实验与软件仿真对比的方式进行验证。上诉研究也提供了结构优化的范例，研究采用了控制变量的方法逐一研究参数对所需达到的结果的影响。因此，本文也将采用同样的控制变量的方法，将非研究变量固定，而只改变所需研究的参数。胡昱[2]等人结合实践设计了水下洗网机的喷嘴，并在研究报告中给出了喷嘴设计的研究过程。不过该研究大量使用经验公式，各种参数的精度只限于设计初期的参数决定，而远为达到最优设计的程度，不过该研究的理论完备，值得借鉴的是其对喷嘴的理论分析，这对本文研究的理解起重要作用。王迪[3]对高压水射流清洗进行了仿真研究与实验验证，文章对高压水射流中水流的压力和速度分布，喷射过程中靶面距离的选择，喷嘴参数的设计和打击到靶面应力应变的分布规律进行仿真研究及实验验证。该研究严谨而有效，对水射流的理论分析详尽细致。可以极大地指导我的分析工作。李艳[4]等人使用ANSYS模拟了射流器水-空混合并优化了喉管：文章根据气液两相流动的双流体模型，用ANSYS软件模拟了射流器内空气—水的混合过程，得到了喉管内流场的参数分布，揭示了利用射流器进行空气—水混合的工作机理，为射流器结构参数优化设计和性能预测提供了有效手段。分析了最优喉管长度与面积比的关系，结果表明：最优喉管长度随着面积比的变化而变化，同时得出最优喉管长度与喉管直径的关系。当面积比 =2.25~3.61 时，射流器的最佳喉管长度为6.47~6.57倍的喉管直径。周章根[5]等人对基于Fluent的高压喷嘴射流的模拟仿真，做了细致的研究，其研究中表示，选用合适的软件模型能很好的模拟出水射流在理论状况下的流场，而且基于相识的课题研究点，研究将给予本文许多软件使用方面的帮助。杨国来等人也在Fluent仿真方面做了诸多研究，而且文章还优化了喷头末端喉管长度，其结果表明喉管长度为2~3d时，喷头能达到最佳性能。由于该研究与本文课题类似，所以本文将借鉴其经验，开展以下设计工作。

1.3理论分析与设计思路

1.3.1理论分析

喷嘴实际是一个使得流体达到高速的构件，其形状为圆管，故而可归结为圆管内流动的问题但管内流动可分为管内层流与管内湍流的问题，当Relt;2000时即为管内层流，而当Regt;时粘性流体的管内层流流动就有层流向湍流转变，这两者之间的规律大不相同，当由于本研究中不仅是管内层流问题，还包含管内湍流的问题，所以有必要对这两者的理论进行了解与运用。由于本研究使用的是牛顿流体,所以流体符合纳维-斯托克斯方程：

（1-1）

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：21220字