高压水射流矿物粉碎喷嘴的数值模拟研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 硕士硕士学位学位论文论文 论文题目论文题目高压水射流高压水射流矿物粉碎矿物粉碎喷嘴喷嘴的数值模拟研究的数值模拟研究 英文题目英文题目Numerical simulation of high pressure water jet nozzle for mineral crushing 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 安文斌 学号学号2018022152 学科学科领域领域名称名称 机械工程 指导教指导教师师 杨文志 职职称称教授 协助指导教协助指导教师师 王建英 职称职称教授 2020 年 6 月 6 日 分类号分类号 04690469 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果， 也不包含为获得内蒙古科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名日期2020.6.6 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、 使用学位论文 （纸质版和电子 版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在学校相关 部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 在论文作者同意的情况下， 研究生院可以转授权第三方使用 查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名导师签名日期2020.6.6 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 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。 关键词高压水射流喷嘴；流道曲线；数值模拟；正交试验；Ansys Fluent 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract When the high pressure water jet technology is used in the pilot production of Bayan Obo rare earth mine, the energy conversion efficiency of the conical straight nozzle is only 46. As the core part of water jet system, the nozzle plays an important role in the effect of mineral crushing. Aiming at the problem of low energy conversion efficiency of water jet nozzle, the of combining theoretical analysis and numerical simulation is adopted, that is, based on the three equations of hydrodynamics, Bernoulli equation and finite element , orthogonal experiment is designed to optimize the structural parameters of the nozzle Turn. The two- dimensional and three-dimensional models of nozzle are established by AutoCAD and nxug software, and the mesh model of nozzle is established by ANSYS ICEM. Finally, the flow field and jet characteristics inside and outside the nozzle are simulated by ANSYS FLUENT software. First of all, six streamline curves are selected from many function curves as the contour curves of the transition section of the high-pressure water jet mineral crushing nozzle. The static pressure, velocity and turbulent cloud diagrams of the conical straight and six different contour nozzles are obtained by using the simulation software, so as to analyze the jet characteristics of the nozzle and calculate its energy conversion efficiency. Through comparative analysis, the Gauss curve nozzle has the characteristics of high flow velocity, low pressure and low turbulence energy. The average velocity is 255.85m/s, and its energy conversion efficiency is 83.65. In order to further improve the comprehensive perance of the Gaussian curve nozzle, the orthogonal test is used to optimize the inlet, contraction and outlet segments of the nozzle. The results show that the length of the contraction segment of the nozzle has the most obvious effect on the jet flow. The Gaussian nozzle with the length of the inlet cylindrical segment of 5mm, the length of the contraction segment of 50mm and the length of the outlet cylindrical segment of 12.5mm has the fastest average velocity and the smallest gradient of the outlet velocity Before optimization, the average velocity of the nozzle is increased by nearly 1 m / s, and the efficiency is increased by 0.6. Finally, in order to improve the efficiency of the nozzle in crushing minerals, a kind of porous nozzle with high working efficiency is designed based on the single hole nozzle. The orthogonal test is used to optimize the number of holes, the distance between holes and the inlet pressure of the Gauss nozzle. After analyzing the optimization results, it is concluded 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III that the inlet pressure of the nozzle has the most significant effect on the jet, but the inlet pressure is not the greater the better, but in a certain degree The most suitable pressure is selected in the range; the number of holes is 4 and the distance between holes is 2.5mm, and the average velocity of outlet of 7 porous nozzle reaches 242.26m/s under the inlet pressure of 60MPa, which has higher energy conversion rate, good jet clustering and better comprehensive perance. The final results show that using the function curve as the flow path curve of the high- pressure water jet nozzle and orthogonal optimization of the structural parameters of the nozzle can significantly improve the energy conversion efficiency, jet clustering and pulverizing effect of the nozzle, which has a certain guiding effect on the actual production. Key words High Pressure Water Jet nozzle; Runner Curve; Numerical Simulation; orthogonal test ;Ansys Fluent 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目 录 摘 要 .................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 绪论 ................................................................................................................................... - 1 - 1.1 课题研究背景 ....................................................................................................... - 1 - 1.2 高压水射流粉碎技术现状 .................................................................................. - 2 - 1.2.1 高压水射流国内研究现状 ...................................................................... - 2 - 1.2.2 高压水射流国外研究现状 ...................................................................... - 3 - 1.3 研究目的、意义和研究内容.............................................................................. - 4 - 1.3.1 研究目的、意义 ....................................................................................... - 4 - 1.3.2 研究内容 ................................................................................................... - 4 - 2 高压水射流系统及其原理概述 ..................................................................................... - 6 - 2.1 高压水射流分类与应用 ...................................................................................... - 7 - 2.1.1 纯水射流概述 ........................................................................................... - 7 - 2.1.2 高压水射流的应用 ................................................................................... - 7 - 2.2 水射流系统分类概述 .......................................................................................... - 8 - 3 高压水射流特性理论分析 .......................................................................................... - 12 - 3.1 高压水射流喷嘴射流理论分析 ...................................................................... - 12 - 3.2 计算流体力学（CFD）数值模拟基本理论及方法 ..................................... - 14 - 3.2.1 计算流体力学（CFD）概述 ............................................................... - 14 - 3.2.2 流体力学基本理论 ................................................................................ - 14 - 3.3 CFD 数值仿真模拟工具 ................................................................................... - 16 - 3.3.1 CFD 前处理器 ........................................................................................ - 16 - 3.3.2 CFD 求解器 ............................................................................................ - 17 - 3.3.3 CFD 后处理器 ........................................................................................ - 18 - 4 高压水射流喷嘴流场仿真 .......................................................................................... - 19 - 4.1 高压水射流喷嘴流场仿真结果分析 .............................................................. - 19 - 4.1.1 建立物理模型 ........................................................................................ - 19 - 4.1.2 建立网格模型 ........................................................................................ - 22 - 4.1.3 喷嘴模拟仿真基本参数及边界条件等参数的确定 .......................... - 23 - 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 4.1.4 7 种喷嘴仿真结果及分析 ..................................................................... - 25 - 4.2 高斯型喷嘴正交试验优化 ............................................................................... - 33 - 4.2.1 正交试验概述及制定 ............................................................................ - 33 - 4.2.2 建立物理、网格模型和基础参数设置 .............................................. - 34 - 4.2.3 高斯型喷嘴正交试验仿真结果及分析 .............................................. - 35 - 4.3 基于2 号高斯型的多孔喷嘴流场模拟仿真.................................................. - 40 - 4.3.1 正交试验概述及制定 ............................................................................ - 41 - 4.3.2 建立物理、网格模型和基础参数设置 .............................................. - 42 - 4.3.3 多孔喷嘴仿真结果分析 ....................................................................... - 44 - 4.3.4 多孔喷嘴固定压力仿真结果分析 ........................................................ - 51 - 5 结论与展望 ................................................................................................................... - 55 - 参考文献 ........................................................................................................................... - 57 - 在学研究成果 ................................................................................................................... - 61 - 致 谢 ................................................................................................................................ - 62 - 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景课题研究背景 高压水射流技术是近年来发展最快的矿物粉碎技术之一。 其作为一种新兴的技术已经 渐渐的应用于各个领域，例如粉碎矿物、切割金属、加工农产品和清洗工件等。高压水 射流技术具有加载时间短且能量集中、能耗低、结构简单、无污染加工和有良好的解离 性等优点。 本文将高压水射流技术应用于粉碎矿物， 可以得到表面光滑且纯度高的矿物， 既减少了粉碎矿物的能耗，还可以显著减少矿物二次污染，其工作过程如下首先水箱 中的水流通过高压柱塞泵持续加压并到达水射流喷嘴，然后水流经过喷嘴使压力能转化 为动能，从而形成集束性较好的高速水束，最后从位于混合腔上方的进料口加入矿物， 矿物随着高速水流在加速管加速后以极快的速度撞向靶体，从而实现矿物颗粒的粉碎。 课题来源于白云鄂博共伴生矿选冶新技术及生态环境评价科研项目，项目编号 为 4050406091802，该项目是内蒙古自治区科技重大专项课题，起止日期是从 2018 年 7 月 20 日到 2021 年6 月30 日。该项目完全颠覆了传统的选矿技术，第一阶段利用物理选 矿；第二阶段利用高压水射流粉碎矿物，把硬度和韧性不同的矿物粉碎到各自的粒级； 第三阶段进行超导选矿，利用超导的强磁性把弱磁性稀土（铌、钪、钍等）等矿物选出 来；第四阶段将剩下无用的尾矿利用火法熔炼，将其制成为微晶玻璃等材料。其中，将 物理选矿和超导选矿用于共伴生矿，在中国是第一次。而将高压水射流用于共伴生矿粉 碎，将大大降低共伴生矿选矿的成本，提高稀土等矿物的富集率和回收率，减少环境污 染。 本文主要研究的是选矿技术中第二阶段利用高压水射流粉碎矿物，即白云鄂博稀土 矿在中试化生产阶段采用高压水射流技术进行粉碎时，发现所使用的锥直型喷嘴效率仅 仅只有 46。目前需要解决水射流喷嘴能量转化效率低的问题和提高喷嘴粉碎矿物的能 力，即短时间使 90的稀土矿物粉碎到 200 目以下，本课题通过研究高压水射流喷嘴的 各个结构参数并使用 Ansys Fluent 软件仿真和进一步的优化，以解决上述问题。如图1.1 是白云鄂博稀土矿在中试化生产阶段所使用的高压水射流系统图。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 图1.1 水射流系统图 1.2 高压水射流高压水射流粉碎粉碎技术现状技术现状 与传统的粉碎矿物方法相比较，高压水射流技术起步较晚。高压水射流技术最早是 在美国加州金矿开釆过程中第一次被利用[2]。 水射流技术在中国始于 1970 年。超过 30 多年的持续研究和发展，该行业已经从零 急剧增长，与国际水平的差距一直在缩小。自 1979 年以来，中国已经开始每隔两年举行 全国水射流学术交流会议，并创立了高压水射流杂志。这些都极大地刺激和加速了 中国高压水射流水射流技术的创新和开展[4]。 1.2.1 高压水射流国内研究现状 高压水射流技术，就是通常纯水由高压柱塞泵加压，由喷嘴完成水流的压力能和动 能的转化，从而形成一股破坏力很强的水束。水射流对颗粒进行加速的同时，还施于颗 粒多种作用，最后磨料撞击在靶体上或对射碰撞进行粉碎。 在高压水射流喷嘴几何结构参数方面， 王倪梅 [7]研究得出喷嘴入口收缩段区域， 水的 流速增长很快，到达直柱段时已接近最大速度，此后一直以较小的数值加速至距离喷嘴 出口2 倍直径处，而后开始减速。周文会 [9]研究得到；喷嘴长径比的改变对轴线速度并没 有明显的影响，但喷嘴长径比过大会在圆柱段产生阻力损失。沈娟 [10]得出在过渡段直径 相同的情况下，长径比越大，喷嘴的性能越好，喷嘴的压力值越大、轴向速度也越大而 喷嘴内部的紊乱越小。谢成雨 [11]从高压水射流机理和喷嘴结构参数着手，设计多种不同 形状的喷嘴流道线型，得出有过渡圆角、锥形角和直线形流道的喷嘴结构特性最佳。贾 维维 [13]研究得到，喷嘴长度小于 10mm 时，中心轴向上随着离原点的距离越近，流体速 度呈增大趋势； 喷嘴长度大于 20mm 时，流体速度随着距原点距离的减小，呈现先增长 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 的趋势，到达峰值，随后流速逐渐降低，喷嘴长度越大减小趋势越明显在高压水射流混 合腔。 在高压水射流内外流场仿真研究方面，王荣君 [17]通过对五种宝石喷嘴内外流场的气 液两相流模拟,认为影响宝石喷嘴的参数包括核心段长度、射流出口扩散角、流动性、空 气含量、连续性、出口截面径向速度、边界层厚度、流量系数、紊流强度，对模拟结果进 行比较认为指数型宝石喷嘴性能最优,候荣国 [18]研究得出异型喷嘴产生的流场与圆形喷 嘴的流场不同,正方形、三角形和矩形喷嘴产生的流场具有非常相似的特点,在喷嘴附近 的射流形状与喷嘴形状类似,随后不断圆化,最后变成圆形。 在高压水射流多孔射流研究方面，张晓云等 [26]用k-ε湍流模型和混合有限分析法，研 究模拟均匀排列的无限多孔平面射流混合区内的流动，得到了不同相对孔间距对混合区 内流动特性的影响结果。槐文信等 [27]对横流中的多孔射流进行了数值模拟，得出了横流 与射流相互作用产生分叉等现象的宏观变化规律。 1.2.2 高压水射流国外研究现状 高压水射流技术一开始就受到工业发达国家的重视。在国际上先后成立了英国、日 本和美国水射流协会，水射流会议已经在国际上举行了二十多届。目前，高压水射流技 术已成为很多学者在国内外的热点，水射流技术已在 40 个国家得到使用。 在高压水射流喷嘴几何结构参数方面，国内外学者进行了各种实验的探索研究，并 从不同的角度数值模拟研究。Voitsekhovsky[28]通过实验分析得出，喷嘴出曰处长径比为 ２-４时， 射流紧密性最好并且获得的射流冲击压力最大； 喷嘴具有 13收缩角时射流效 果最好。Barker C R 等人 [30]通过改变喷嘴的过渡段长度和入口锥角的大小，并得出了喷 嘴的过渡段的长径比为0.5倍， 入口的锥角为60 o时， 喷嘴的切割性能最好。 日本的Yanaida K 等人[32]通过对有扩散角的喷嘴的切割实验淹没式射流并用多种结构参数不同的喷嘴 对工件进行冲蚀，发现具有扩散角的喷嘴的冲蚀量较没有扩散角的喷嘴的冲蚀量大，约 为 14 倍。 在高压水射流内外流场仿真研究方面，Babets 等人[33]流场进行了数值模拟，并与实 验结果相对比，表明喷嘴内部的空气含量对流动影响很大，在设计过程中应该重视喷嘴 内部结构的优化处理。 H.Liu 等人 [34]通过改变模拟的初始条件以及边界条件得出结果， 在 射流初始段时其轴向速度会很快衰减；不同直径的磨粒其速度分布与速度衰减相似，直 径小的加速较快。 Babets K E[35]等通过对喷嘴内部的紊流流场的数值模拟和实验比较得出 喷嘴内部的流场受到流体的空化和分离的影响。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 在高压水射流多孔射流研究方面，Tanaka 和Miller 等[39][40]对双股射流汇聚区和联合 区受入射间距的影响进行了较为系统的研究。Holdeman 等人[41]行了多孔射流的流速比、 有限空间的高度、孔间间距对流动时均特性影响的实验研究，利用积分模型分析出了有 一定价值的成果 1.3 研究目的研究目的、、意义意义和研究内容和研究内容 1.3.1 研究目的、意义 白云鄂博稀土矿采用球磨机对矿物进行粉碎时，能耗占到整个选矿线的一半以上， 而且容易污染矿物。 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粉碎时， 发现所使用的锥直型喷嘴效率仅仅只有 46。喷嘴作为水射流系统的核心部件，对矿物 粉碎能力起至关重要的作用，针对水射流喷嘴能量转化效率低的问题和提高喷嘴粉碎矿 物的能力，采取理论分析与数值模拟相结合的方法，研究高压水射流喷嘴内外流场的流 动特性、喷嘴形状结构和优化其参数，寻找出一种综合性能较优的水射流喷嘴，该喷嘴 应具备射流集束性好、 能量高、 腔内压力较小， 磨损较小等优良的射流特性和动力性能， 为实现水射流粉碎白云鄂博矿的中试化生产提供一定的理论指导。 1.3.2 研究内容 本文对喷嘴结构仿真的内容主要有四点高压水射流矿物粉碎喷嘴流场的仿真、喷 嘴结构参数的优化、多孔喷嘴模拟仿真研究和对效率较优性能优良喷嘴轮廓曲线的理论 研究探讨。 1）高压水射流矿物粉碎喷嘴流场的仿真 使用 Ansys Fluent 软件对喷嘴进行结构仿真克服了传统理论与实验方法的弱点， 通过仿真模拟喷嘴的内外流场可以看到整个流场的各种细节。 本文首先从众多的函数 曲线中筛选出适合用做水射流喷嘴收缩段流道轮廓的曲线， 然后用UG和Ansys ICEM 软件对水射流喷嘴建立了几何模型和网格划分，最后用 Ansys Fluent 软件对其流场进 行了仿真模拟，对喷嘴射流的各个物理量进行了阐述，并据此定性地分析了喷嘴各结 构参数的变化与水射流喷嘴压力、 速度和能量损失等的关系， 从而为设计出结构合理、 性能优良和高效率的水射流喷嘴提供理论依据。 2）喷嘴结构参数的优化 从以上关于高压水射流粉碎技术可知，喷嘴是高压水射流矿物粉碎的关键所在。 本学位论文从喷嘴结构入手，通过改变多种不同型式喷嘴的入口圆柱段长度、收缩段 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 长度和出口圆柱段长度等参数，并确立喷嘴结构和喷射性能之间的联系，探索不同的 结构的射流特性的影响，是本文的主要研究内容。 喷嘴收缩段形状与长度若喷嘴是高压水射流粉碎的关键所在，那么喷嘴收缩段 形状与长度则是喷嘴的重要部分，较优的收缩段形状与长度会大大减少漩涡的产生， 使压力能更快更有效的转化为动能，从而减少能量的损耗。 喷嘴的长径比即喷嘴出口圆柱段长度与出口直径的比值。喷嘴的长度和直径之 比会对水射流的动力性能显著影响， 它的大小不但直接影响的流动阻力和喷嘴的流量 系数，合适的长径比可以将更多的压力能转换为射流的速度动能，即为射流速度转化 效率。 喷嘴内壁的粗糙度喷嘴内壁面的粗糙度越大，水流边界层的厚度就越大，那么 射流的集束性也就越差，喷嘴内水流发生分离的可能性也就越大。所以喷嘴内壁的粗 糙度应尽可能的小。 3）多孔喷嘴设计及仿真。 使用单孔水射流喷嘴对矿物磨料进行粉碎时，效率不是很理想，若要是多设置几组 喷嘴，又会耗费大量场地，需要多个高压泵、水箱和皮管等水射流系统必须设备，这会 极大地增加成本。为了提高喷嘴粉碎矿物的效率和减少其加工时间，在单孔喷嘴的基础 上，寻找一种工作效率较高的多孔喷嘴。 4）对效率较高和性能优良曲线的理论研究探讨。 当筛选出某一条曲线使得喷嘴具有能量转化效率高和性能优良的特点时，要研究其 深层次的原因，对效率高和综合性能优良的曲线进行理论研究探讨。 虽然高压水射流技术有很多优势，但是一方面常见的水射流喷嘴在压力能转化动能 的过程中，能量的损失比较大，得不到较高的出口速度和出口平均速度，达不到对矿物 磨料理想的粉碎效果，限制了其推广应用，所以有必要设计和优化高压水射流喷嘴的重 要结构参数、提高其能量转化效率。另一方面水射流喷嘴大部分都是平面单孔喷嘴，这 就出现了单孔喷嘴对矿物磨料粉碎稍显乏力的问题，所以有