白云鄂博稀土矿在中试化生产阶段采用高压水射流技术进行矿物粉碎时,所使用的锥直型喷嘴能量转化效率仅仅只有46%。喷嘴作为水射流系统的核心部件,对矿物粉碎效果起到至关重要的作用,针对水射流喷嘴能量转化效率低的问题,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,即在流体力学的三大方程、伯努利方程和有限单元法等理论的基础上,设计了正交试验对喷嘴进行结构参数优化。利用Autocad和NXUG软件建立喷嘴二维和三维模型,通过Ansys ICEM建立喷嘴的网格模型,最后使用Ansys Fluent软件对喷嘴内外流场和射流特性进行系统的模拟仿真研究。首先从众多的函数曲线中筛选出6种流线型曲线,作为高压水射流矿物粉碎喷嘴的过渡段流道轮廓曲线,运用模拟仿真软件得到锥直型和6种不同轮廓曲线喷嘴的静压力、速度和湍流云图,以此分析喷嘴的射流特性和计算其能量转化效率。通过对比分析,在7种喷嘴中高斯曲线型喷嘴具有水流速度高,压力低和紊流能量小的特点,平均速度达到255.85m/s,其能量转化效率达到83.65%。为了进一步提高高斯曲线型喷嘴的综合性能,采用正交试验法对喷嘴入口段、收缩段和出口段进行优化,结果表明:喷嘴收缩段长度对射流的影响最明显,入口圆柱段长度5mm,收缩段长度50mm和出口圆柱段长度12.5mm的高斯型喷嘴平均速度最快,出口速度梯度最小;较优化前喷嘴平均速度提高了近1m/s,效率提升0.6%。最后,为了提高喷嘴粉碎矿物的效率,在单孔喷嘴的基础上,设计一种工作效率较高的多孔喷嘴,采用正交试验法对高斯型喷嘴的孔数、孔距和入口压力进行优化,分析优化结果后得出:喷嘴入口压力对射流的影响最显著,但入口压力并不是越大越好,而是在一定范围内选用最合适的压力;孔数为4个和孔距为2.5mm的7号多孔喷嘴在入口压力60MPa下出口平均速度达到242.26m/s,具有更高的能量转化率和良好的射流集束性,且综合性能较优。通过最终的结果表明利用函数曲线作为高压水射流喷嘴的流道曲线和对喷嘴各结构参数进行正交优化,能够明显的提高喷嘴的能量转换效率、射流集束性和粉碎效果,对实际生产具有一定的指导作用。