噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓水射流影響及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計*

韓啟龍，馬　洋

(第二炮兵工程大學 動力工程系， 陜西 西安　710025)

?

噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓水射流影響及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計*

韓啟龍，馬洋

(第二炮兵工程大學 動力工程系， 陜西 西安710025)

摘要：噴嘴是產(chǎn)生高壓水射流的關鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式對射流動力學性能有很大影響。以圓柱形噴嘴為對象，進行噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓水射流的影響分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計。采用兩相流計算流體力學模型進行噴嘴內(nèi)外的射流流場分析。為節(jié)省計算資源，在優(yōu)化設計時引入Kriging代理模型替代計算流體力學模型。分別采用改進的非劣分類遺傳算法和基于分解的多目標進化算法進行單目標和多目標優(yōu)化設計。研究結(jié)果表明：直線型噴嘴總體性能較優(yōu)，凹型噴嘴的次之，凸型噴嘴性能最差。以直線型噴嘴為設計對象，以射流初始段長度和流量為目標，得到了單目標和多目標優(yōu)化設計結(jié)果。單目標優(yōu)化時，兩個指標較基準外形分別提高14.71%和27.56%。多目標優(yōu)化時，優(yōu)化得到的半錐角處于[15.4°, 89.8° ]區(qū)間內(nèi)。運用代理模型和進化算法的全局優(yōu)化方法在進行噴嘴的優(yōu)化設計時是有效的。

關鍵詞：高壓水射流；噴嘴；全局優(yōu)化；兩相流；代理模型；基于分解的多目標進化算法

由于具有清洗質(zhì)量好、清洗速度快、綠色環(huán)保、安全性能高等優(yōu)點[1]，高壓水射流在固體發(fā)動機推進劑的清洗和切割中具有很好的應用前景[2-3]。

噴嘴是產(chǎn)生高壓水射流的關鍵部件，其結(jié)構(gòu)形式對射流動力學性能和內(nèi)部流場有很大影響，因此，廣大學者采用不同的方法對其進行研究。劉庭成等采用理論分析方法定性論述了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)及其對清洗作業(yè)的影響，以及噴嘴直徑、膠管直徑與清洗機壓力、流量相匹配的重要性[5]。王洪倫等[6]通過公式推導得到影響噴嘴的沖擊壓力的幾個因素。蔣大勇[7]利用自研的實驗平臺開展了高壓水射流切割端羥基聚丁烯(Hydroxyl-TerminatedPolyButadiene,HTPB)推進劑的實驗研究，得到了適合切割推進劑的最佳噴嘴直徑。為解決扇形噴嘴強度低、磨損快、能耗高的缺點，喻峰等[8]設計了一種新型多孔圓柱噴嘴，并通過數(shù)值模擬和試驗的方法驗證了該噴嘴在鋼材除鱗中良好的性能。

在研究噴嘴構(gòu)型對高壓水射流流動影響時，理論分析的應用范圍有限，試驗研究盡管結(jié)果最為可靠，但成本太大。隨著兩相流動計算技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學者選擇數(shù)值仿真的方法進行研究[1,9-12]。這些研究主要關注某一類特定結(jié)構(gòu)形式的噴嘴對射流性能的影響，但對該類型噴嘴的具體型面研究較少。還有一些學者采用正交試驗[11,13]、遺傳算法[14]對噴嘴的關鍵參數(shù)進行設計，在引入優(yōu)化思想進行高壓水射流噴嘴設計方面做出了很好的嘗試。

1問題描述

以常見單孔圓柱形噴嘴為研究對象，研究噴嘴型面及關鍵參數(shù)對高壓水射流的影響。

1.1噴嘴形式

圓柱形噴嘴的內(nèi)部型面為旋成曲面，其母線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：入口直徑D和出口直徑d，收縮段半錐角δ，接入段長度l1、收縮段長度l2和平直延伸段長度l3。

圖1　圓柱形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of configuration of cylindric nozzle

基于上述噴嘴結(jié)構(gòu)，提出另外兩種內(nèi)部型面的噴嘴，它們的D，d，l1，l2和l3與圖1中的完全一樣，不同之處在于其收縮段母線由直線變成了曲線。圖2所示為三種不同母線形式的圓柱形噴嘴示意圖。圖2中的直線段代表的就是圖1中的常見圓柱形噴嘴，凹型和凸型曲線代表的就是所提出的兩種噴嘴，圖2中凹型和凸型曲線在兩端分別與水平和豎直線相切。為表述方便，往下將這三種噴嘴分別簡稱為直線型噴嘴、凹型噴嘴和凸型噴嘴。

圖2　三種不同母線形式的圓柱形噴嘴示意圖Fig.2　Schematic diagram of cylindric nozzle withthree different kinds of generatrix

1.2高壓水射流流動特性分析

按照流動狀態(tài)可將射流分為層流射流和紊流射流。本文研究的高壓水射流流速較大，流動應處于紊流狀態(tài)，因而屬于自由紊動射流[15]。水射流以初始速度u0射入周圍靜止的空氣，如圖3所示，由于存在較大的速度差，兩種流體之間存在間斷面，并且該間斷面是不穩(wěn)定的，一旦受到擾動就會產(chǎn)生波動，形成旋渦。這些旋渦會把周圍原來靜止的空氣卷吸到射流中，隨著紊動的發(fā)展，被卷吸并和射流一起運動的空氣越來越多，射流邊界也逐漸向兩側(cè)擴展。同時由于空氣與射流的摻混，必然會產(chǎn)生對射流的阻力，使得射流邊緣部分的流速降低，難以保持初始速度。水射流與空氣的摻混自邊緣逐漸向中心發(fā)展，在離開噴嘴出口一段距離之后，摻混現(xiàn)象發(fā)展到射流中心，從此，射流整個橫斷面都發(fā)展成為紊流[16]。

從上述分析可知，高壓水射流的流動結(jié)構(gòu)十分復雜，為便于分析，可以按照不同的流動特性將水射流劃分為幾個區(qū)域，如圖3所示。從噴嘴出口開始向內(nèi)外擴展的摻混區(qū)稱為剪切層；其中心未受摻混影響，仍然保持初始速度的區(qū)域稱為勢流核。沿射流方向從噴嘴出口至勢流核末端為初始段；初始段下游絕大部分為充分發(fā)展的紊動摻混區(qū)，稱為主體段；在初始段和主體段之間存在很短的過渡段。

圖3　高壓水射流流動特性示意圖Fig.3　Schematic diagram of flow character ofhigh pressure water jet

2研究方法

2.1流場分析方法

采用Fluent6.3.26軟件進行水射流的流場分析。水射流與空氣之間會發(fā)生劇烈的動量交換和紊動摻混，為了模擬氣液兩相混合運動，采用Mixture兩相流混合模型。在考慮射流的湍流運動時，采用k-ωSST湍流模型。

由于射流流場具有很好的軸對稱特性，為了節(jié)省計算資源，采用如圖4所示二維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行流場區(qū)域的剖分，其中圖4(a)為全流場域網(wǎng)格，圖4(b)為噴嘴附近網(wǎng)格。

(b) 噴嘴附近網(wǎng)格(b) Computing grid around nozzle圖4　計算網(wǎng)格Fig.4　Computing grid

(a) 全流場域網(wǎng)格
(a) Computing grid of whole flow field

計算區(qū)域的邊界設置如圖5所示。AB為中心軸線，設置為軸對稱邊界條件；噴嘴進口AH設置為壓力入口條件；外邊界IM，MK和KB設置為壓力出口條件；HGFEJI設置為無滑移壁面邊界條件。

圖5　計算邊界示意圖Fig.5　Schematic diagram of computing boundary

采用該計算模型對文獻[12]中半錐角為30°的圓柱形噴嘴的內(nèi)外流場進行計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)模擬，得到了射流沿軸線的速度分布。表1給出了其與文獻[12]的結(jié)果的對比，由表1可見結(jié)果吻合得很好，說明本文的流場仿真模型精度較好，計算結(jié)果可信。

表1　圓柱形噴嘴射流軸線速度驗證

2.2代理模型構(gòu)建及驗證

在進行噴嘴幾何參數(shù)的優(yōu)化設計時，需要反復獲取射流的流場特性，鑒于兩相流場計算的耗時性，為了節(jié)省計算資源，引入Kriging代理模型來替代真實的CFD分析模型。構(gòu)建代理模型的基本流程為：首先采用均勻采樣的方式選取10k(k為設計變量的個數(shù))個初始樣本點，并采用CFD方法獲取樣本點上的流場特性，然后基于樣本點上結(jié)果構(gòu)建初始代理模型。一般來說此時代理模型的精度較差，并不能滿足優(yōu)化設計的要求。為了減少CFD分析的次數(shù)，提高設計效率，采用之前已被成功運用的期望改進(ExpectedImprovement,EI)加點方法[17]進行加點迭代，每一步迭代時加入EI值最大的點和Kriging模型預測方差最大的點，不斷修正代理模型的精度。

采用逐一交叉驗證方法[18]檢驗每次迭代后的代理模型的精度。經(jīng)過8次加點迭代，標準交叉驗證殘差全部在[-3, 3]之間，且代理模型的最大誤差不超過10%，這樣的模型精度完全可以替代CFD分析進行優(yōu)化設計研究。

2.3優(yōu)化算法

改進的非支配排序遺傳算法(NondominatedSortingGeneticAlgorithm,NSGA-Ⅱ)由于適應性強、計算效率高，得到了廣泛的應用，也經(jīng)常被用來作為很多優(yōu)化算法比較的基準。采用NSGA-Ⅱ進行單目標優(yōu)化，可以獲得較為合理的優(yōu)化解。

在進行多目標優(yōu)化設計時，采用計算效率更高的基于分解的多目標進化算法(MultiObjectiveEvolutionaryAlgorithmsbasedonDecomposition,MOEA/D)進行優(yōu)化設計。該算法的基本思想[19]是將多目標優(yōu)化問題采用一定的方法分解成若干單目標子問題，并同時對它們進行求解。在優(yōu)化每一個子問題時只需要用到與其相鄰的子問題的信息，這樣MOEA/D每代的計算復雜度都比經(jīng)典進化算法(如NSGA-Ⅱ)的計算復雜度小，計算效率也更高[19]。

3噴嘴形式對射流特性的影響

采用CFD方法研究圖2所示的三種噴嘴形式對射流特性的影響，為下節(jié)錐角的優(yōu)化設計奠定基礎。假設噴嘴的基本幾何參數(shù)相同：D=5mm，d=1mm，l3=3mm。以三種半錐角條件下的噴嘴為研究對象，具體的幾何參數(shù)見表2。噴嘴入口的壓力均為40MPa，外界環(huán)境為一個大氣壓。

表2　不同半錐角條件下的噴嘴幾何參數(shù)

圖6給出了不同半錐角條件下，三種噴嘴形式產(chǎn)生的射流中心軸線速度及距噴嘴出口0.3m截面上(即圖3中x=0.3m)速度的徑向分布。

由圖6可以看出射流中心軸線速度在噴嘴內(nèi)靠近出口附近急劇增大，噴嘴出口處的最大速度與理論計算速度[12]相符。由于黏性作用，隨著射流與周圍空氣的相互摻混，軸線速度逐漸減小，且在離開噴嘴一定距離后存在一個小的突降，這個距離即為初始段長度。三種情況下軸向距離為0.3m處射流速度的徑向分布較為類似，各種情況下最大的區(qū)別在于截面上中心軸線處速度的不同。

Shape1和Shape2的射流特性較為相似，它們的半錐角較小，在小錐角情況下，直線型噴嘴的射流初始段最長、中心軸線速度和0.3m處射流速度最大，因而其產(chǎn)生的射流性能最優(yōu)；凸型噴嘴射流初始段最短、中心軸線速度和0.3m處射流速度最小，射流性能最差；凹型噴嘴產(chǎn)生的射流性能介于二者之間，且與直線型噴嘴較為接近。當半錐角為45°時，凸型噴嘴射流的性能仍然最差，其中心軸線速度較小錐角時的更??；凹型噴嘴產(chǎn)生的射流性能最佳，其中心軸線速度較小錐角時直線型噴嘴產(chǎn)生的射流中心速度更大；直線型噴嘴的射流性能略差于凹型噴嘴的射流性能。從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著錐角的增大，噴嘴內(nèi)部流動損失增大，直線型和凸型噴嘴的射流性能略微變差，但在大錐角情況下，凹型噴嘴使得射流向中心軸線集中的效果更加明顯，因而其產(chǎn)生的射流性能反而變好?？傊谛″F角條件下適宜采用直線型噴嘴，大錐角條件下適宜采用凹型噴嘴。直線型噴嘴總體性能較優(yōu)且易于加工，凹型噴嘴次之，凸型噴嘴性能最差。

(a) 外形1射流中心軸線速度(a) Central axis velocity of shape 1

(b) x=0.3 m截面上外形1射流速度沿徑向分布(b) Velocity distribution along radius direction ofshape 1 when x=0.3 m

(c) 外形2射流中心軸線速度(c) Central axis velocity of shape 2

(d) x=0.3m截面上外形2射流速度沿徑向分布(d) Velocity distribution along radius direction ofshape 2 when x=0.3 m

(e) 外形3射流中心軸線速度(e) Central axis velocity of shape 3

(f) x=0.3 m截面上外形3射流速度沿徑向分布(f) Velocity distribution along radius direction ofshape 3 when x=0.3 m

4圓柱形噴嘴錐角優(yōu)化設計

4.1優(yōu)化問題

以直線型噴嘴為研究對象，半錐角δ為唯一的設計變量，其變化范圍為[4.574°, 90°]。半錐角取最小值時，對應于圖1中l(wèi)1=0時的情況；當半錐角取最大值時，對應于圖1中l(wèi)2=0的情況。初始段長度L對高壓水射流清洗和切割作業(yè)都十分關鍵，另外在進行固體發(fā)動機推進劑的清洗和切割時，要求射流流量Q盡可能小，以便于廢液的處理，因而將L和Q作為設計目標。由于初始段長度為噴嘴出口至勢流核末端距離，因而L可以從射流中心軸向流速分布中獲取，實際操作時，在軸線上射流流速與出口中心流速之差小于1m/s的區(qū)域都為初始段。另外為了便于比較，取表2中的Shape1(直線型噴嘴)為基準外形。

4.2單目標優(yōu)化

分別以L和Q為目標進行單目標優(yōu)化設計，得到的設計結(jié)果見表3?？梢姰敯脲F角為15.44°

時，初始段長度最大，較基準外形時增大14.71%，但此時射流流量也略微增大；當半錐角為89.88°時，射流流量最小，較基準外形時減小27.56%，但此時初始段長度卻劇減76.22%?？梢妰蓚€優(yōu)化目標存在一定的沖突，很難找到合適的設計變量使得兩個目標同時達到最優(yōu)，因而需要進行多目標優(yōu)化。

表3　單目標優(yōu)化設計結(jié)果

4.3多目標優(yōu)化

為了兼顧射流的整體性能，采用MOEA/D進行兩目標優(yōu)化設計，得到的設計結(jié)果如圖7所示。圖7中黑色圓點為優(yōu)化前沿，是優(yōu)化結(jié)果在目標空間的映射。前沿上兩個端點對應的解即為單目標優(yōu)化結(jié)果。設計者可以根據(jù)具體的設計需求選擇合適的優(yōu)化解。

另外從設計結(jié)果來看，前沿對應的設計結(jié)果(半錐角)處于[15.4°, 89.8°]區(qū)間上，且半錐角越小對應于初始段長度L越大、射流流量Q也越大，半錐角越大則L越小、Q也越小。

圖7　多目標優(yōu)化結(jié)果Fig.7　Multiobjective optimization results

5結(jié)論

1)小錐角情況下，直線型噴嘴產(chǎn)生的射流性能最佳，大錐角情況下，凹型噴嘴最合適。直線型噴嘴總體性能較優(yōu)且易于加工，凹型噴嘴次之，凸型噴嘴性能最差。

2)以直線型噴嘴為設計對象，得到了以射流初始段長度和流量為目標的單目標優(yōu)化設計結(jié)果，兩個單項目標性能分別提高14.71%和27.56%。得到了多目標優(yōu)化設計前沿，優(yōu)化得到的半錐角處于[15.4°, 89.8°]區(qū)間。

3)用于流場分析的兩相流CFD模型具有較好的精度，可以滿足優(yōu)化設計的需求?；诖砟Ｐ秃瓦M化算法的全局優(yōu)化方法在進行噴嘴的優(yōu)化設計時是有效的。

參考文獻(References)[1]陳亮. 高壓水射流扇形噴嘴內(nèi)外流場仿真分析 [D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2007.

CHENLiang.Thesimulationofhigh-pressurewaterjetnozzlesofinternalandexternalflowfield[D].Lanzhou:LanzhouUniversityofTechnology, 2007.(inChinese)

[2]楊林, 唐川林, 張鳳華. 高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應用[J]. 洗凈技術(shù), 2004, 2(1): 9-14.

YANGLin,TANGChuanlin,ZHANGFenghua.Developmentandapplicationofhighpressurewaterjet[J].CleaningTechnology, 2004, 2(1): 9-14. (inChinese)

[3]承文, 柳玉杰. 水射流技術(shù)在火箭發(fā)動機研制生產(chǎn)中的應用 [J]. 化學清洗, 1999, 15(5): 39-43.

CHENGWen,LIUYujie.Applicationofwaterjettechnologyonresearchandproductionofrocketengine[J].ChemicalCleaning, 1999, 15(5): 39-43. (inChinese)

[4]劉庭成, 范曉紅, 劉焱. 高壓水射流清洗機噴嘴的結(jié)構(gòu)與參數(shù) [J]. 清洗世界, 2010, 26(9): 32-37.

LIUTingcheng,FANXiaohong,LIUYan.Structureandparametersofhighpressurewater-jetcleanernozzles[J].CleaningWorld, 2010, 26(9): 32-37. (inChinese)

[5]劉庭成， 程駿， 劉永榮. 高壓水射流流動過程中能量損失的分析 [J]. 清洗世界, 2004, 20(5): 9-11.LIUTingcheng，CHENGJun,LIUYongrong.Analysisontheenergylossintheflowingprocessofhighpressurewaterjet[J].CleaningWorld, 2004, 20(5): 9-11. (inChinese)

[6]王洪倫, 龔烈航, 姚笛. 高壓水切割噴嘴的研究 [J]. 機床與液壓, 2005(4): 42-43.

WANGHonglun,GONGLiehang,YAODi.Investigationofcuttingnozzleinhighpressurewaterjet[J].MachineToolandHydraulics, 2005(4): 42-43. (inChinese)

[7]蔣大勇. 高壓水射流切割HTPB推進劑的實驗分析 [J]. 解放軍理工大學學報(自然科學版), 2013, 14(4): 430-435.

JIANGDayong.ChippingperformanceofHTPBpropellantbyhigh-pressurewaterjet[J].JournalofPLAUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition), 2013, 14(4): 430-435. (inChinese)

[8]喻峰, 祝爽, 李璐, 等. 新型高壓水除鱗噴嘴流場仿真與試驗研究 [J]. 機械設計與制造, 2014(1): 91-96.

YUFeng,ZHUShuang,LILu,etal.Theflow-fieldsimulationandexperimentalresearchofthenew-typehigh-pressurewaterjetnozzleindescaling[J].MachineryDesignandManufacture, 2014(1): 91-96. (inChinese)

[9]易松林, 汪志明, 孫怡紅, 等. 徑向鉆井高壓水射流噴嘴內(nèi)外流場分析 [J]. 石油機械, 2013, 41(3): 15-20.

YISonglin,WANGZhiming,SUNYihong,etal.Analysisoftheinternalandexternalflowfieldsofhighpressurewaterjetnozzleinradialdrilling[J].ChinaPetroleumMachinery, 2013, 41(3): 15-20. (inChinese)

[10]王東, 吳雨川, 羅維平, 等. 高壓水射流切割流場的數(shù)值模擬研究 [J]. 武漢科技學院學報, 2005, 18(3): 15-18.

WANGDong,WUYuchuan,LUOWeiping,etal.Studyofflowfieldoncuttingwithhighpressurewaterjet[J].JournalofWuhanUniversityofScienceandEngineering, 2005, 18(3): 15-18. (inChinese)

[11]于洪, 陸庭侃. 高壓水射流切割噴嘴的結(jié)構(gòu)設計和參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究 [J]. 機床與液壓, 2009, 37(11): 90-92.

YUHong,LUTingkan.Numericalsimulationstudyonstructuredesignandparametersoptimizationofhighpressurewaterjetcuttingnozzle[J].MachineToolandHydraulics, 2009, 37(11): 90-92. (inChinese)

[12]周文會. 高壓水射流噴嘴內(nèi)外部流場的數(shù)值模擬研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2008.

ZHOUWenhui.Numericalsimulationresearchonthehighpressurewaterjetnozzleininsideandoutsideeffluxflowfield[D].Lanzhou:LanzhouUniversityofTechnology, 2008.(inChinese)

[13]邵忠良. 純高壓水射流除銹噴嘴的數(shù)值模擬及優(yōu)化試驗研究 [J]. 機床與液壓, 2015, 43(13): 78-81.

SHAOZhongliang.Numericalsimulationandoptimizationexperimentresearchofhigh-pressurewaterjetdescalingnozzle[J].MachineToolandHydraulics, 2015, 43(13): 78-81. (inChinese)

[14]朱左明, 高鑫, 王煊軍, 等. 固體火箭發(fā)動機水射流清理工藝的多目標優(yōu)化 [J]. 含能材料, 2014, 22(5): 624-629.

ZHUZuoming,GAOXin,WANGXuanjun,etal.Multi-objectiveoptimizationforwaterjetcleaningprocessofsolidrocketmotor[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials, 2014, 22(5): 624-629. (inChinese)

[15]劉沛清. 自由紊動射流理論 [M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2008.

LIUPeiqing.Freeturbulentjettheory[M].Beijing:BeihangUniversityPress, 2008. (inChinese)

[16]董志勇.射流力學 [M]. 北京: 科學出版社, 2005.

DONGZhiyong.Jetdynamics[M].Beijing:SciencePress, 2005. (inChinese)

[17]馬洋, 楊濤, 張青斌. 高超聲速滑翔式升力體外形設計與優(yōu)化 [J]. 國防科技大學學報, 2014, 36(2): 34-40.

MAYang,YANGTao,ZHANGQingbin.Configurationoptimizationdesignofhypersonicglidingliftingbody[J].JournalofNationalUniversityofDefenseTechnology, 2014, 36(2): 34-40. (inChinese)

[18]JonesDR,SchonlauM,WelchWJ.Efficientglobaloptimizationofexpensiveblack-boxfunctions[J].JournalofGlobalOptimization, 1998, 13(4): 455-492.

[19]ZhangQF,LiH.MOEA/D:amultiobjectiveevolutionaryalgorithmbasedondecomposition[J].IEEETransactionsonEvolutionaryComputation, 2007, 11(6): 712-731.

Influence of nozzle structure on high pressure water jet and optimization design of nozzle structure parameter

HAN Qilong, MA Yang

(DepartmentofPowerEngineering,TheSecondArtilleryEngineeringUniversity,Xi′an710025,China)

Abstract：Nozzleisthecrucialcomponentusedtogeneratehighpressurewaterjet,anditsstructureformhaslargeinfluenceondynamicperformanceofhighpressurewaterjet.Sotheinfluenceofnozzlestructureonhighpressurewaterjetwasanalyzed,andtheoptimizationdesignofnozzlestructureparameterwasimplemented.Atwo-phaseflowcomputationalfluiddynamicsmodelwasemployedtoanalyzetheflowfield.TheKrigingsurrogatemodelwasusedtoreplacethecomputationalfluiddynamicsmodelintheprocessofoptimizationdesignforreducingthecomputationalresources.Thenondominatedsortinggeneticalgorithmandmultiobjectiveevolutionaryalgorithmsbasedondecompositionwererespectivelyemployedtocarryoutsingleandmultiobjectiveoptimizationdesign.Theresearchresultsshowthatthegeneralcapabilityofline-formnozzleisthebest,theconcavity-formnozzleisinthemiddle,andtheprotruding-formnozzlehastheworstcapability.Thesingleandmultiobjectiveoptimizationdesignofline-formnozzleisimplemented,inwhichthecorezonelengthandthemassfluxofwaterjetaretakenasoptimizationobjectives.Comparedwiththebaseline,thetwoindexesincreasedby14.71%and27.56%respectivelyafterthesingleobjectiveoptimization.Theoptimalsemi-coneangleaftermultiobjectiveoptimizationlocatedon[15.4°， 89.8 °].Theglobaloptimizationalgorithmbasedonsurrogatemodelandevolutionaryalgorithmisprovedtobeeffective.

Keywords：highpressurewaterjet;nozzle;globaloptimization;twophaseflow;surrogatemodel;multiobjectiveevolutionaryalgorithmsbasedondecomposition

doi:10.11887/j.cn.201603012

收稿日期：2015-11-20

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金資助項目(E031303)；第二炮兵工程大學青年基金資助項目(2015QNJJ034)

作者簡介：韓啟龍(1979—)，男，甘肅寧縣人，副教授，碩士，E-mail：longfeng.061106@163.com

中圖分類號：V411

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)03-068-07

http://journal.nudt.edu.cn