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摘 要： 针对于水射流切割系统而言，关键的设备之一就是喷嘴，严重影响射流内部流场和水射流动力学性能。通过分析和研究传统直线类型喷嘴，改进喷嘴流道结构，将既具有过渡段和平直段又具有收缩段的流线型喷嘴设计出来。
关键词： 高压；水射流喷嘴；设计；结构
【中图分类号】 TE248 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）06-0140-02
前言：无论对射流流场分布，还是水射流力学性，喷嘴都具有至关重要的影响。喷嘴结构好能够将水射流加工的精度和效率有效地提升。喷嘴内部水射流运动的速度也非常快，因此，嚴重磨损喷嘴的结构[1]。怎样设计出既能够满足加工效率和精率又耐用的喷嘴结构，是当前国内外学者研究和分析的重要课题。
一、设计高压水射流喷嘴
（一）水射流结构和机理
1.水射流的结构。射流就是流体通过小孔或者狭缝流动的一种现象。水射流结构图见图1所示。
图1中分为初始段、基本段、转折段以及消散段四个段。射流初始段，射流离开喷嘴，虽然就会由于与环境介质能量的转换，而有扩散和紊动剧烈地发生，但是，射流速度并没有改变，而且射流轴线方向上的动压力值和密度，都是保持不改变的。基本段，射流轴向速度值和动压力值都在渐渐地且有规律地减小，在与轴线断面上垂直时，无论是射流的轴向速度值，还是动压力值，分布都是呈高斯曲线。转折段，由于射流方向和大小都会有一个突变，所以称此段为“转折段”。消散段，也是射流最后的一段，射流与射出环境介质在该段中已经完全融合，射流轴向速度和动力值这时都非常小。结合不同需求来利用不同段的射流，致使射流的最大能量转换率和使用率能够有效地实现[2]。
2.水射流的机理。
水射流就是通过一系统或者一个小孔，将一定静压水喷射成水流且形成细小流线束，致使这种细小流线束既具有较高动压，又具有较高流速。根据不同标准，水射流分类也不同。
根据驱动压力分：可以分为超高压水射流、高压水射流、中压水射流以及低压水射流。该文水射流压为选用的是200Mpa，属于超高压水切割。
根据环境介质分：可以分为淹没式式射流和非淹没式射流。淹没式射流就是射流在其他液体或者水中射入；非淹没式射流就是射流在空气中直接射入。该文采用空气加工的水切割机，因此，水射流也就是非淹没式射流[3]。
3.零件表面受水射流的冲击力。
零件表面受到水射流冲击时，无论是速度的大小，还是速度的方向，都会发生一些变化，也就是说射流变化了，并且利用冲击力形式，在零件表面上反映出来。水射流属于比较理想的流体，在端处如果速度大小没有变化，而且没有随着靶距的改变而进行变化，水射流在零件上进行作用以后，只是射流方向会发生变化。因此，零件表面总的冲击力为：F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ），公式中水射流密度（kg/m3）用p表示；水射流流量（kg/s）用q表示；水射流射流速度（m/s）用v表示；零件表面受水射流冲击的角度用β表示。
从公式F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ），便可知道β=90o时，零件表面受水射流的冲击力是F=pqv，如果β=180o时，零件受水射流冲击力为最大，也就是F=2pqv。
β=180o时，零件表面受水射流冲击力理论最大的值便会得到，射流参数与冲击力之间定性的关系就会反映出来，再因为空气阻力等相关因素的影响，零件受水射流实际的冲击力比零件表面受射流理论最大值要小许多。因此，零件受水射流的冲击力不但被射流基本参数影响，靶距也会影响。
在F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ）公式中，求得到的是零件受水射流总的冲击力，但是，零件表面压强大小的射流作用，就是零件表面受表征破坏能力的大小。
在水射流中将磨料加入以后，冲蚀零件表面不再是依靠射流对动压滞止，而是利用磨料对动压进行冲击冲蚀。在相同功率下，冲击动压冲蚀零件作用更大，因此，磨料水射流加式能对纯水更大。
二、选择喷嘴主要参数和设计喷嘴结构
（一）选择喷嘴主要的参数
喷嘴的几何参数：入口直径为D1；出口直径为D2；过渡段长度与直很的比为l/d；喷嘴收缩角为α1；喷嘴扩散角为α2。
1.喷嘴直径d。
在高压水射流切割喷嘴中，喷嘴直径d既是重要的参数，又是首先选定的参数，其余的参数都是结合该参数才能够确定。从喷嘴角度讲，应该先将喷嘴直径大小确定，才可以将喷嘴截面积算出来：
公式中A表示喷嘴截面积；Q表示喷头流量；μ表示流量的系统；g表示重力加速度；H表示喷头的工作压力。
通常对喷嘴内径大小设计的情况下，喷嘴能否会被堵塞和水耗大小是主要需要考虑的。内径越小，喷嘴堵塞机率就会越大，但是，水耗会更小；否则喷嘴直径若越大，喷嘴就不会被堵塞，但是，耗水量也会相应地变大。因此，设计喷嘴应该将这2个因素综合起来[4]。
此外，水射流切割机输出的功率应该考虑到，外界压力同样的状况下，随着喷嘴直径增大，喷嘴输出功率也增大，因此，设计喷嘴时，水切割机功率的影响也应该综合地考虑。
2.过渡段长度。扩散段与收缩段之间存在一段过渡的直线段。水射流进行收缩段时，射出的状态会是高度紊流。对于水射流，一定长度过渡段会有稳定的作用，在一定的程度上稳定紊乱的水射流，从而使紊流形态降低。因此，不能缺少过渡段，喷嘴的长径和直径对长度起决定的作用[5]。
3.喷嘴长径比。喷嘴长径比严重影响水射流动力性能。其的大小不但对喷嘴的流动阻力和流量系统等有直接的影响，而对喷嘴类型也具有决定的作用：是否是细长型，还是薄壁型。结合流体力学知识，细长型喷嘴具有较高的流量系数，因此，其能够将更多压力向射流速度能转换。 4.喷嘴收缩角和扩散角。喷嘴流动阻力大小由喷嘴收缩角决定。收缩角若越大，流动的阻力就会变得越小。而喷嘴发散角便会影响射流的发展。扩散角比较小时，附壁现象就会在喷嘴出处出现，该现象在一定程度上会扰动射流，增强射流不稳定性，减少射流连续的长度，从而降低射流切割性能[6]。
（二）设计喷嘴结构
从当前来看，工业上大多都是用直线型的喷嘴流道，主要有锥直型喷嘴和稚形喷嘴以及平直喷嘴三种结构。这种喷嘴不但射流受流道的阻力比较大和线形单一，射流稳定性和集束性也都比较差，而且，轴向速度衰减比较快，射流中心动压值也非常小。射流严重磨损喷嘴出口和流道是最重要的。因此，传统线性喷嘴既切割效率低和能量消耗大，又加工精度不高。
我国当前使用喷嘴入口直径通常为0.4～2.0毫米，该文设计喷嘴入口直径为1毫米，出口直径为0.62毫米。5种喷嘴初始尺寸如下：
喷嘴a：l1=0.32毫米； L=1.3毫米；入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米。
喷嘴b：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；收缩角=15O。
喷嘴c：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米。
喷嘴d：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；扩散角α2=20°；收缩角=15°；l3/d0=1；准直部分尺寸d0=0.4毫米。
喷嘴e：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；收缩角=15°；过渡圆角r=0.4毫米；l3/d0=1；准直部分尺寸d0=0.4毫米。
三、分析和优化喷嘴结构参数
（一）分析喷嘴e结构参数。
喷嘴参数主要包括喷嘴长径比、内径、收缩角、过渡段长度以及扩散角。喷嘴过渡段长径和喷嘴直径，由喷嘴过渡段决定，因此，对不同长径比下喷嘴内部流场，来对喷嘴长径和过渡长度影响喷嘴内部流场的情况进行分析和研究。喷嘴直径选取0.4毫米。
（二）优化喷嘴e结构参数。
对喷嘴出口速度有影响的主要因素：喷嘴过渡段的直径d0、喷嘴的直径D、收缩角α1、喷嘴过渡段长径比l3/d0、扩散角α2。各个影响因素包括三个因素水平。喷嘴入口直径国内外通常都选取0.4～2.0毫米，因此，此实验喷嘴入口选取直径为0.8毫米和1毫米以及1.2毫米。
总结：
综上所述，有效运用设计高压水射流喷嘴流道，分析了各喷嘴内部流场fluent模拟，将与切割加工相适合的喷嘴结构得出。再分析和研究喷嘴内部流场受喷嘴流道主主要参数的影响，而得出与切割加工相适合的喷嘴参数组合。
参考文献
[1] 黄春明，代志旭，郭明功.高压水射流割缝增强瓦斯抽采及防喷孔技术研究[J].煤炭科学技术，2015，43（04）：63-66+109.
[2] 黄飞，卢义玉，刘小川，敖翔，李良伟.高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制[J].岩石力学与工程学报，2014，33（07）：1329-1335.
[3] 郭琦，李方义，李硕，聂延艳.高压水射流清洗对基体去污效果及损伤的研究[J].中国机械工程，2014，25（06）：817-820.
[4] 罗云，蒋文春.高压水射流喷丸降低焊接残余应力有限元分析[J].压力容器，2013，30（11）：42-46.
[5] 张嘉勇，郭立稳，罗新荣.高压水射流掏槽防突技术参数数值模拟与试验研究[J].采矿与安全工程學报，2013，30（05）：785-790.
[6] 陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程，2013（02）：6-8.
关键词： 高压；水射流喷嘴；设计；结构
【中图分类号】 TE248 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）06-0140-02
前言：无论对射流流场分布，还是水射流力学性，喷嘴都具有至关重要的影响。喷嘴结构好能够将水射流加工的精度和效率有效地提升。喷嘴内部水射流运动的速度也非常快，因此，嚴重磨损喷嘴的结构[1]。怎样设计出既能够满足加工效率和精率又耐用的喷嘴结构，是当前国内外学者研究和分析的重要课题。
一、设计高压水射流喷嘴
（一）水射流结构和机理
1.水射流的结构。射流就是流体通过小孔或者狭缝流动的一种现象。水射流结构图见图1所示。
图1中分为初始段、基本段、转折段以及消散段四个段。射流初始段，射流离开喷嘴，虽然就会由于与环境介质能量的转换，而有扩散和紊动剧烈地发生，但是，射流速度并没有改变，而且射流轴线方向上的动压力值和密度，都是保持不改变的。基本段，射流轴向速度值和动压力值都在渐渐地且有规律地减小，在与轴线断面上垂直时，无论是射流的轴向速度值，还是动压力值，分布都是呈高斯曲线。转折段，由于射流方向和大小都会有一个突变，所以称此段为“转折段”。消散段，也是射流最后的一段，射流与射出环境介质在该段中已经完全融合，射流轴向速度和动力值这时都非常小。结合不同需求来利用不同段的射流，致使射流的最大能量转换率和使用率能够有效地实现[2]。
2.水射流的机理。
水射流就是通过一系统或者一个小孔，将一定静压水喷射成水流且形成细小流线束，致使这种细小流线束既具有较高动压，又具有较高流速。根据不同标准，水射流分类也不同。
根据驱动压力分：可以分为超高压水射流、高压水射流、中压水射流以及低压水射流。该文水射流压为选用的是200Mpa，属于超高压水切割。
根据环境介质分：可以分为淹没式式射流和非淹没式射流。淹没式射流就是射流在其他液体或者水中射入；非淹没式射流就是射流在空气中直接射入。该文采用空气加工的水切割机，因此，水射流也就是非淹没式射流[3]。
3.零件表面受水射流的冲击力。
零件表面受到水射流冲击时，无论是速度的大小，还是速度的方向，都会发生一些变化，也就是说射流变化了，并且利用冲击力形式，在零件表面上反映出来。水射流属于比较理想的流体，在端处如果速度大小没有变化，而且没有随着靶距的改变而进行变化，水射流在零件上进行作用以后，只是射流方向会发生变化。因此，零件表面总的冲击力为：F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ），公式中水射流密度（kg/m3）用p表示；水射流流量（kg/s）用q表示；水射流射流速度（m/s）用v表示；零件表面受水射流冲击的角度用β表示。
从公式F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ），便可知道β=90o时，零件表面受水射流的冲击力是F=pqv，如果β=180o时，零件受水射流冲击力为最大，也就是F=2pqv。
β=180o时，零件表面受水射流冲击力理论最大的值便会得到，射流参数与冲击力之间定性的关系就会反映出来，再因为空气阻力等相关因素的影响，零件受水射流实际的冲击力比零件表面受射流理论最大值要小许多。因此，零件受水射流的冲击力不但被射流基本参数影响，靶距也会影响。
在F=pqv-pqvcosβ=pqv（1-cosβ）公式中，求得到的是零件受水射流总的冲击力，但是，零件表面压强大小的射流作用，就是零件表面受表征破坏能力的大小。
在水射流中将磨料加入以后，冲蚀零件表面不再是依靠射流对动压滞止，而是利用磨料对动压进行冲击冲蚀。在相同功率下，冲击动压冲蚀零件作用更大，因此，磨料水射流加式能对纯水更大。
二、选择喷嘴主要参数和设计喷嘴结构
（一）选择喷嘴主要的参数
喷嘴的几何参数：入口直径为D1；出口直径为D2；过渡段长度与直很的比为l/d；喷嘴收缩角为α1；喷嘴扩散角为α2。
1.喷嘴直径d。
在高压水射流切割喷嘴中，喷嘴直径d既是重要的参数，又是首先选定的参数，其余的参数都是结合该参数才能够确定。从喷嘴角度讲，应该先将喷嘴直径大小确定，才可以将喷嘴截面积算出来：
公式中A表示喷嘴截面积；Q表示喷头流量；μ表示流量的系统；g表示重力加速度；H表示喷头的工作压力。
通常对喷嘴内径大小设计的情况下，喷嘴能否会被堵塞和水耗大小是主要需要考虑的。内径越小，喷嘴堵塞机率就会越大，但是，水耗会更小；否则喷嘴直径若越大，喷嘴就不会被堵塞，但是，耗水量也会相应地变大。因此，设计喷嘴应该将这2个因素综合起来[4]。
此外，水射流切割机输出的功率应该考虑到，外界压力同样的状况下，随着喷嘴直径增大，喷嘴输出功率也增大，因此，设计喷嘴时，水切割机功率的影响也应该综合地考虑。
2.过渡段长度。扩散段与收缩段之间存在一段过渡的直线段。水射流进行收缩段时，射出的状态会是高度紊流。对于水射流，一定长度过渡段会有稳定的作用，在一定的程度上稳定紊乱的水射流，从而使紊流形态降低。因此，不能缺少过渡段，喷嘴的长径和直径对长度起决定的作用[5]。
3.喷嘴长径比。喷嘴长径比严重影响水射流动力性能。其的大小不但对喷嘴的流动阻力和流量系统等有直接的影响，而对喷嘴类型也具有决定的作用：是否是细长型，还是薄壁型。结合流体力学知识，细长型喷嘴具有较高的流量系数，因此，其能够将更多压力向射流速度能转换。 4.喷嘴收缩角和扩散角。喷嘴流动阻力大小由喷嘴收缩角决定。收缩角若越大，流动的阻力就会变得越小。而喷嘴发散角便会影响射流的发展。扩散角比较小时，附壁现象就会在喷嘴出处出现，该现象在一定程度上会扰动射流，增强射流不稳定性，减少射流连续的长度，从而降低射流切割性能[6]。
（二）设计喷嘴结构
从当前来看，工业上大多都是用直线型的喷嘴流道，主要有锥直型喷嘴和稚形喷嘴以及平直喷嘴三种结构。这种喷嘴不但射流受流道的阻力比较大和线形单一，射流稳定性和集束性也都比较差，而且，轴向速度衰减比较快，射流中心动压值也非常小。射流严重磨损喷嘴出口和流道是最重要的。因此，传统线性喷嘴既切割效率低和能量消耗大，又加工精度不高。
我国当前使用喷嘴入口直径通常为0.4～2.0毫米，该文设计喷嘴入口直径为1毫米，出口直径为0.62毫米。5种喷嘴初始尺寸如下：
喷嘴a：l1=0.32毫米； L=1.3毫米；入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米。
喷嘴b：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；收缩角=15O。
喷嘴c：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米。
喷嘴d：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；扩散角α2=20°；收缩角=15°；l3/d0=1；准直部分尺寸d0=0.4毫米。
喷嘴e：入口和出口直径分别为D=1毫米、d=0.62毫米， L=1.3毫米；收缩角=15°；过渡圆角r=0.4毫米；l3/d0=1；准直部分尺寸d0=0.4毫米。
三、分析和优化喷嘴结构参数
（一）分析喷嘴e结构参数。
喷嘴参数主要包括喷嘴长径比、内径、收缩角、过渡段长度以及扩散角。喷嘴过渡段长径和喷嘴直径，由喷嘴过渡段决定，因此，对不同长径比下喷嘴内部流场，来对喷嘴长径和过渡长度影响喷嘴内部流场的情况进行分析和研究。喷嘴直径选取0.4毫米。
（二）优化喷嘴e结构参数。
对喷嘴出口速度有影响的主要因素：喷嘴过渡段的直径d0、喷嘴的直径D、收缩角α1、喷嘴过渡段长径比l3/d0、扩散角α2。各个影响因素包括三个因素水平。喷嘴入口直径国内外通常都选取0.4～2.0毫米，因此，此实验喷嘴入口选取直径为0.8毫米和1毫米以及1.2毫米。
总结：
综上所述，有效运用设计高压水射流喷嘴流道，分析了各喷嘴内部流场fluent模拟，将与切割加工相适合的喷嘴结构得出。再分析和研究喷嘴内部流场受喷嘴流道主主要参数的影响，而得出与切割加工相适合的喷嘴参数组合。
参考文献
[1] 黄春明，代志旭，郭明功.高压水射流割缝增强瓦斯抽采及防喷孔技术研究[J].煤炭科学技术，2015，43（04）：63-66+109.
[2] 黄飞，卢义玉，刘小川，敖翔，李良伟.高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制[J].岩石力学与工程学报，2014，33（07）：1329-1335.
[3] 郭琦，李方义，李硕，聂延艳.高压水射流清洗对基体去污效果及损伤的研究[J].中国机械工程，2014，25（06）：817-820.
[4] 罗云，蒋文春.高压水射流喷丸降低焊接残余应力有限元分析[J].压力容器，2013，30（11）：42-46.
[5] 张嘉勇，郭立稳，罗新荣.高压水射流掏槽防突技术参数数值模拟与试验研究[J].采矿与安全工程學报，2013，30（05）：785-790.
[6] 陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程，2013（02）：6-8.