水射流穿丝喷嘴设计

　　1 会聚喷嘴仿真分析

　　会聚喷嘴(见图2)完全不受导丝嘴和斜加工的影响。 会聚喷嘴将整流槽和喷嘴收缩段进行了整合，水流从整流槽进入同时进行整流和加速， 然后在喷嘴外进行会聚。 图3 为会聚喷嘴结构简图，α 为会聚角，β 为收缩角，导丝嘴从预留孔中插入。 如图4 所射流在喷嘴外会聚变细，这样会聚喷嘴的口径就没有了严格的限制。

　　仿真主要是看会聚角对射流流场的影响， 不考虑压缩角的影响，所以在仿真中简化掉压缩角，会聚角度分别为5°、10°、30°、45°和 60°，入口速度设定为 10m/s。采用四边形结构化网格。 网格间距的分布规律是在射流自由面自由面和喷口附近密， 远离自由面和喷口处疏。下面对有代表性的45°和 60°仿真结果进行介绍。仿真结果如下：

　　由图5 可以看出，会聚角为10°时，喷管内的静压较低，在会聚点的上方存在大面积的负压区，这个负压区将射流向喷嘴中心位置挤压，射流不容易发生散射，所以会聚效果很好。 会聚角为 45°时，喷管内的静压比会聚角为10°时高好几倍，在会聚点的上方存在的大面积的正压区， 这个正压区将射流从喷嘴中心位置向外挤压，射流较容易发生散射，会聚效果会变差。 所以，随着会聚角度变大，要想获得相同的速度，就需要提供更高的压力，汇聚点上方也会从负压区慢慢变为正压区。

　　从图6 可以看出，随着会聚角的缩小，周围空气的卷吸在迅速增加，会聚角为45°时，喷口附近空气的速度明显大于10°时，射流周围受到扰动空气的范围也大很多。 所以，会聚角度越大，环境空气的速度就越大，对射流的扰动就越强。 从图7 可以看出，射流会聚点上方空气的速度方向与射流方向正好相反， 这也是形成负压区的原因，这种现象很利于射流的会聚。

　　2 会聚喷嘴喷水穿丝试验

　　对不同速度下的锥直喷嘴射流进行快速拍照，以观察射流在不同速度下的流态变化。 射流速度从左到右依次为10、20、30、40、50m/s。 从照片(见图8)可以看出射流速度在超过30m/s 后，射流的断裂破碎变的开始不对称，射流变得越来越粗。

　　流体在流动时会表现出黏性， 静止流体不呈现黏性。 黏性的作用表现为阻滞流部的相对滑动，从而阻滞流体的流动。 在穿丝时，这种阻滞作用会将一定范围内的水保持在电极丝附近， 使电极丝附近的流场变得连续。

　　对不同速度下水射流穿丝时的射流形态进行快速拍照，对电极丝的影响进行分析。 射流速度从左到右依次为10、20、30、40、50、60m/s(见图9)。 值得注意的是，有电极丝时， 射流形态对速度的反应和无丝射流的对速度的反应正好相反。在10m/s 时，射流勉强是连续的，射流中存在着一个个大的液滴。 随着速度的增加射流变得越来越连续，波动变得越来越均匀，在高速的情况下完全不呈现散射状态，反而变得异常稳定连续。 这说明速度越高，电极丝对水的阻滞作用越明显。 这种的特性的前提是， 射流在从喷嘴出来后可以发生小范围的不对称性破碎，但是不可以发生大范围的散射，发生散射后液滴距离太远， 这种阻滞作用就无法发挥它的吸附作用了。