基于交互正交试验法的喷嘴结构数值分析

尹凤福¹，刘 振¹，薛莲莲¹，张 超¹，刘振宇²

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

(2.海尔集团技术研发中心，山东 青岛 266101)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575287）

作者简介：尹凤福（1969—），男，教授，博士，主要研究方向为机电产品的绿色设计与制造，yinff@qust.edu.cn.

摘要：为解决塑料喷吹装置中喷吹不准确、噪声大等问题，采用基于Fluent数值分析的交互正交试验法对维多辛斯基曲线喷嘴的出口半径、收缩比和收缩段长度3个结构参数进行优化分析。建立喷嘴二维模型，选择Realizable k-ε湍流模型和宽频气动噪声模型，并通过Simplec算法计算出喷嘴的3个结构参数对射流核心段长度和噪声的影响。研究结果表明：出口半径对射流核心段长度影响最大，收缩比与收缩段长度的交互作用对其影响最小，单因素对射流核心段的影响高于因素间交互作用的影响；出口半径与收缩比的交互作用对噪声影响最大，收缩段长度对其影响最小。

关键词：喷嘴；交互作用；射流核心段；噪声

中图分类号：TH47   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0030-05

塑料分选系统的分离装置属于分选设备的执行机构，目前分选设备研究方向集中于识别装置和控制系统改进，而喷吹装置能耗高、喷吹不准确、噪声大等问题限制了分选设备的效率和精度。喷嘴是塑料分选过程中关键的部件，目标物被喷吹分离的动力来自于喷嘴喷射时的高速气体射流^［1］。

喷嘴的用途多种多样，其形状、大小、通过的流体等都不尽相同，对其研究非常广泛。张福波等^［2］利用计算流体力学软件Fluent对锥型喷嘴和柱形喷嘴的冲击换热过程进行了热流耦合模拟，模拟结果表明锥型喷嘴的射流冲击换热性能明显优于柱型喷嘴。罗静等^［3］利用大涡模拟方法，对正弦曲线、双三次曲线、维多辛斯基曲线的收缩段的外部流场进行了数值模拟，通过对比分析得出正弦曲线喷嘴出口处的速度分布、湍流强度分布均优于另外两种曲线。梁博健等^［4］结合正交试验法，对高压水除鳞喷嘴各结构参数及其交互作用对其性能影响的显著性及重要性次序进行分析，获得最优的参数组合并进行了实验验证。邓军等^［5］利用计算流体动力学（CFD）软件对维多辛斯基曲线结构、锥直结构和锥角结构3种喷嘴结构进行选型优化，结果显示维多辛斯基曲线结构喷嘴的出口速度更稳定、集束性更好、能量转化率更高。苟湘等^［6］利用宽频噪声源模型对喷管式汽水混合加热器进行气动噪声数值模拟，为改进汽水混合加热器的降噪研究提供参考。

本文采用数值模拟的方法对塑料近红外分选设备——喷嘴进行优化设计，为减少计算量，采用交互作用的正交试验法对其进行模拟计算。