《Computational Particle Mechanics》：Design optimization of abrasive jet decontamination nozzle for radioactively contaminated scrap metal based on CFD-DEM
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本研究提出一种集成多软件协同仿真与多目标优化的磨料喷嘴创新设计方法，旨在显著提升磨料射流清洗的整体性能。研究人员建立CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics–Discrete Element Method，计算流体力学–离散元方
本研究提出一种集成多软件协同仿真与多目标优化的磨料喷嘴创新设计方法，旨在显著提升磨料射流清洗的整体性能。研究人员建立CFD-DEM（Computational Fluid Dynamics–Discrete Element Method，计算流体力学–离散元方法）耦合数值模型，首次系统探究喉部直径、收缩段长度、扩散角和总长等关键喷嘴结构参数对磨料射流均匀性及喷嘴耐磨性的内在影响机制。通过响应面法（RSM，Response Surface Methodology）构建并求解多目标优化模型，获得优化喷嘴构型：入口直径Ф25 mm、喉部直径Ф14 mm、扩散角8°、总长215 mm。实验验证表明，该优化设计协同提升性能——磨料射流核心区覆盖率提高22.00%，喷嘴最大磨损降低44.62%。此外，本研究建立了命名为"FLUENT–EDEM–MATLAB–ORIGIN–DESIGN-EXPERT"工作流的多软件集成仿真优化框架，为高性能气固两相流喷嘴设计提供了具有工程参考价值的稳健方法学范式。
《基于CFD-DEM的放射性污染废金属磨料射流去污喷嘴结构设计优化》论文解读
该研究发表于《Computational Particle Mechanics》。磨料射流去污系统中喷嘴是关键部件，其结构直接影响磨料加速效果、射流覆盖均匀性与自身磨损寿命，进而影响去污效率与成本。现有磨料射流技术研究多聚焦于宏观工艺现象或水射流体系，针对干式磨料空气射流（Abrasive Air Jet, AAJ）喷嘴内部气固两相流动、多参数耦合作用及综合性能（射流品质+耐磨性）协同优化的系统性设计与评价方法尚不充分。为此，研究人员以文丘里喷嘴（Venturi Nozzle）为对象，采用CFD-DEM耦合仿真结合图像识别技术，系统考察关键结构参数对磨料分布特性和喷嘴磨损的影响，并借助响应面法开展多目标优化，最终获得较优结构参数并通过实验验证方法有效性。
研究人员采用的主要关键技术方法为：建立气体（连续相，RNG k-ε湍流模型）–磨料颗粒（离散相，Hertz?Mindlin无滑移接触模型耦合Archard磨损模型）的CFD?DEM双向耦合瞬态仿真模型（FLUENT与EDEM联合求解）；将EDEM输出的磨料中心坐标导入ORIGIN生成磨料分布图，利用MATLAB按非白像素占比（R,G,B≤50）进行图像识别以量化覆盖率，核心区定义为单位面积磨粒数≥0.5 particles/mm2的区域；选取喉部直径d（10、12、14 mm）、扩散角θ（4°、6°、8°）、总长L（165、190、215 mm）三因素三水平进行Box?Behnken试验设计，以核心区覆盖率Y?（最大化）和喷嘴最大磨损量Y?（最小化）为评价指标，借助Design?Expert软件拟合二次回归模型并求解多目标优化问题，最终以原型实验校验仿真与优化结果。
3.1. 单因素对磨料射流去污效率的影响
通过控制变量法分别考察各参数影响：喉部直径d由Ф8增至Ф14 mm时，磨粒平均冲击速度由47.70 m/s升至88.81 m/s（+86.18%），覆盖率除Ф8 mm略高外其余相近，磨损主要发生在扩散段且随d增大磨损减轻，故取d=10~14 mm参与正交试验。收缩段长度l?在35~65 mm间变化对覆盖率、冲击速度和磨损均无明显影响，故后续不列为优化因子。扩散角θ由4°增至10°，近喷嘴处覆盖率显著提升但在距300 mm处增幅减小，过大θ致核心区密度下降，磨损随θ增大而减小，综合考虑取θ=4°~8°。总长L由65增至215 mm，整体覆盖率下降（射流更集中），过短（65、115 mm）导致靶件中心出现磨粒分布真空，L对出口速度几乎无影响，磨损主要在扩散段（除L=65 mm在收缩段），合理范围定为165~215 mm并增设190 mm水平。
3.2. 基于数值模拟的多因素正交试验结果
以喉径A、扩散角B、总长C三因素三水平Box?Behnken设计17组仿真试验，测得Y?与Y?。方差分析显示两回归模型显著（P<0.0001），失拟项不显著（P>0.05），决定系数R2>0.9。各因素对核心区覆盖率影响主次为：扩散角B > 总长C > 喉径A；对喷嘴磨损影响主次为：扩散角B > 喉径A > 总长C。交互作用AB、AC、BC对Y?影响显著。
3.3. 喷嘴参数优化
以max Y?和min Y?为目标求解回归模型得理论最优：d=Ф13.98 mm，θ=7.86°，L=213.45 mm，圆整为d=Ф14 mm、θ=8°、L=215 mm（入口直径Ф25 mm，收缩段长55 mm固定）。与原参考喷嘴（d=Ф9 mm，θ=2.6°，L=165 mm）相比，优化后核心区覆盖率由16.09%升至19.63%（+22.00%），Archard磨损由10.96×10?? m降至6.07×10?? m（?44.62%），仿真与实验趋势吻合。
讨论与结论翻译
研究人员指出：(1) 提出了融合多软件协同仿真与响应面优化的喷嘴设计方法论，实现高效结构参数优化与综合性能评估；(2) 喷嘴结构参数对磨料分布均匀性影响顺序为：扩散角 > 总长 > 喉径 > 收缩段长度，对喷嘴磨损影响顺序为：扩散角 > 喉径 > 总长 > 收缩段长度，适当增大扩散角和喉径可显著降低磨损；(3) 收缩段长度对清洗效果无显著影响，总长对磨粒出口冲击速度影响可忽略；(4) 确定最优结构参数为喉径Ф14 mm、扩散角8°、总长215 mm，该构型使磨料射流核心区覆盖率提升22.00%同时最大磨损量减少44.62%。
