本文采用换热器管道及高压喷头作为研究对象，射流主要为非淹没的单项纯水射流。由于模拟整个喷头计算量过大，因此简化为单一喷嘴进行模拟计算^[12]，简化过程及喷嘴结构参数如图1所示。

(1) 喷嘴的入口D₀

根据机组的工作压力并结合实际工况及实物测量选取入口直径D₀=6.3 mm。

(2) 喷嘴的出口d₀

喷嘴出口直径决定了射流的流速和打击压强，是喷嘴设计的重要结构参数，喷嘴出口直径的计算式：

式(1)中：q为泵的流量，q=80 L/min；

p为泵的额定压力，p=140 MPa；

μ为喷嘴流量系数，对于圆柱收敛型喷嘴一般取0.95；

n为喷嘴个数，取n=6；

经计算得d₀=1.08 mm，设计喷嘴时还应考虑喷嘴堵塞等问题，综合考虑各种因素，确定喷嘴平直段直径为1 mm，后接渐扩段直径为1.5 mm。

(3) 喷嘴的长径比L₀/d₀

喷嘴的长径比对喷嘴的流动阻力和流量系数起着决定性的作用，合适的长径比可以提升射流的冲击力和射流速度，同时还决定了喷嘴的类型。根据流体力学的流动原理，内部结构为细长的喷嘴比短粗的喷嘴具有更好的射流冲击能力^[13-14]。

(4) 喷嘴收敛角θ₀

喷嘴收缩角的设计也决定了喷嘴收缩段的长度，查阅相关资料可知，喷嘴中收缩角的大小直接影响着喷嘴内部结构对水流动阻力的大小。

为探究不同喷嘴结构对清洗效果的影响，实现对喷嘴的优化，建立如图2三种喷嘴结构模型其中图(a)锥形喷嘴为通过测量实体喷嘴尺寸建立的初代模型，图(b)为渐缩形喷嘴，图(c)为流线形喷嘴。在换热器管道内壁和喷嘴之间建立如图3所示的流体域模型。

建立喷嘴的流动模型，主要通过连续性方程（质量守恒方程）和Navier—Stokes方程来描述流体经过喷嘴的流动过程。

(1) 连续性方程^[15-16]

式中，ρ是流体的密度，单位kg/m³；t是时间,单位s；u、v、w分别是速度V在三个坐标轴x、y、z方向上的分量，单位m/s。因为内部工质流体是水，并且已经假定其为不压缩流体，所以密度随时间的变化量为0，即∂$ \rho $/∂t=0，因此连续性方程可被简化为：

(2) Navier—Stokes方程

式中，ρ是流体的密度，单位kg/m³；t是时间，单位s；u、v、w分别表示速度V在三个坐标轴x、y、z方向上的分量，单位m/s；p是压力，单位Pa；f_x、f_y、f_z为单位体积流体所受到的体积力f在x、y、z方向上的分量，单位N；μ为动力粘度，单位N·s/m²。

数值模拟基本参数设置，如表1所示。

对计算流体域进行网格划分，为了更好的反映喷嘴内部和管道内壁面区域的变化规律，将喷嘴出口壁面、靶面以及喷嘴流体域与外流体域的交界面设置为网格加密区^[17-18]，网格划分如图4所示。

网格的疏密直接影响着数值计算的求解结果，对网格密度进行无关性验证，如图5所示。随着网格数量的增加，网格数量在1130万后监测点速度值逐渐趋于稳定，为缩短计算时间，提高计算精度，选择1130万网格进行模拟计算。

动压的分布特性是衡量射流效果的一个重要因素，如图6所示是流体域剖面动压分布云图。在喷嘴圆柱段，流体的压力势能转换为流体的动能，压力梯度大，变化明显。在喷嘴出口处的等速核区域，动压变化不明显，但在等速核区的末尾端，动压迅速减小，变化较大。对比不同结构流体域剖面图可以看出，在靠近管壁红色标记处渐缩形、流线形的高动压区域相对锥形面积更大。锥形喷嘴、渐缩形喷嘴、流线形喷嘴靶面平均动压值分别为48.3 MPa、50 MPa、59.3 MPa。在三种喷嘴出口处，渐形和流线形较锥形集束性更好。由于喷嘴出口尺寸没有发生变化，在高速水射流打在管道内壁后扩散面积几乎没有区别，但不同结构喷嘴高速水射流打在管内壁时动压分布不同，其中渐缩形和流线形喷嘴相对于其他结构高动压区面积更大，有效击打范围更大。

以靶面左侧中心处为坐标原点，沿靶面到达另一端为x轴。分析靶面上的压强分布特性和有效打击面积，可清晰得出高压喷嘴的射流规律与特性。

水射流在流经高压喷嘴后，由于流体流动的速度方向为水平方向，在经过收缩段并进入喷嘴中心孔眼后，收缩段对低速的水射流产生了加速的作用，从而使收缩段流体质点速度矢量方向几乎维持不变，速度显著增大。比较不同x轴线上动压分布曲线，如图7所示，动压峰值位于射流中心处，沿x轴呈驼峰形分布。对于不同类型结构喷嘴，锥形喷嘴的高动压相对于渐缩形喷嘴和流线形喷嘴分布区域较小，渐缩形喷嘴和流线形喷嘴差别不大。锥形喷嘴最小为49 MPa，渐缩形喷嘴和流线型喷嘴射流中心动压值分别为50 MPa和59.3 MPa。

渐缩形喷嘴和流线型喷嘴相对于锥形喷嘴的射流到达靶面处时有一个较大的发散，从而使得射流面积增大。锥形喷嘴射流靶面动压峰值较小，渐缩形喷嘴和流线形喷嘴动压峰值较大。

射流的有效冲击面积是影响高压水射流清洗效果的关键因素，首先对比不同类型结构喷嘴的有效冲击面积进行对比分析。图8所示，三种喷嘴类型，其中锥形在管壁动压大于10 MPa和40 MPa区域平均动压值最小，渐缩形喷嘴和流线形喷嘴平均动压值最大，且差距不明显。如图9所示，是不同喷嘴类型管壁区域面积折线图，其中渐缩形喷嘴管壁动压值大于10 MPa区域和大于40 MPa区域面积相对其他喷嘴结构更大，锥形最小。

射流速度是衡量喷嘴射流效果的一个重要因素，图10是喷嘴出口处速度矢量图，三种喷嘴的速度分布规律大致相同，均是在喷嘴圆柱段达到了速度的最高值，随着射流的喷出，速度不断降低。离出口越远，速度越低，和动压分布成相关性为驼峰形。其中图（a）锥形流道在出口处流道直径变化较大，导致部分流体与截面发生碰撞，存在能量损失，图（b）渐缩形喷嘴和图（c）流线形喷嘴的流道呈均匀渐缩形，流体波动性小，能量损失小。且数值计算得，锥形喷嘴出口流量为0.419758 kg/s，渐缩形喷嘴出口流量值为0.437394 kg/s，流线形喷嘴出口流量值为0.430517 kg/s。

水射流的冲击力需要达到一定的强度才能将污垢清除掉，污垢的清洗效果与打击面所受到的打击压力和剪切应力密切相关。因此本文在同一冲击角度情况下，分析不同靶距（10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50.68 mm）渐缩形喷嘴水射流打在管道壁面的打击压强，确定渐缩形喷嘴的最佳靶距。渐缩形喷嘴不同靶距壁面动压分布云图如图11所示，在不同靶距下，同一角度的喷嘴在靶面上的射流形状、分布具有相似性，在靶距50.68 mm和40 mm时，管壁动压分布较为相似，但在靶距由40 mm减小至30 mm时，管壁动压分布形状发生变化，呈不规则圆形。

渐缩形喷嘴靶面平均动压分布如图12所示，靶距50.68 mm减小到10 mm，管壁动压大于10 MPa区域平均动压先减小后增大，在靶距30 mm时平均动压值最小，在靶距10 mm时平均动压值最大，管壁大于40 MPa区域平均动压逐渐上升，在靶距10 mm平均动压值上升最明显。

不同靶距管壁区域面积曲线，如图13所示各靶距管壁动压大于10 MPa区域面积差距不大，管壁动压大于40 MPa区域面积在靶距20 mm和30 mm时最大。

本文以不同结构类型的喷嘴为研究对象，分别对锥形、渐缩形、圆柱形喷嘴建立了喷嘴水射流模型并进行数值模拟，探究了不同类型喷嘴动压力场和速度场分布规律。在此基础上对渐缩形喷嘴同一射流角度下的不同冲击靶距进行了模拟研究，揭示了喷嘴结构类型与冲击靶距对水射流特性的影响，从而得出以下结论：

（1）对于打击面积大于10 MPa的区域面积，渐缩形喷嘴比锥形喷嘴提高了5.87%，比流线形喷嘴提高了3.70%；打击面积大于40 MPa的区域面积，渐缩形喷嘴比锥形喷嘴提高了50.90%，比流线形喷嘴提高了2.45%。

（2）锥形喷嘴内有部分流体与壁面发生碰撞导致流动方向改变，造成了局部能量损失。且经模拟得，出渐缩形喷嘴出口流量比锥形喷嘴出口流量增加了4.2%，比流线形喷嘴出口流量增加了1.6%。

（3）靶距在30 mm时平均动压值最小，在靶距10 mm时平均动压值最大；管壁大于40 MPa区域在靶距10 mm平均动压值上升最明显；渐缩形喷嘴管壁动压大于40 MPa区域面积在靶距30 mm时最大，为8.3 cm²。