磨料颗粒在喷嘴内部运动时，部分颗粒将与内壁发生碰撞，这是导致喷嘴磨损的直接原因。颗粒和壁面的碰撞结果将使颗粒的运动发生变化，这种变化表现在两个方面：首先是颗粒动量发生变化，颗粒和壁面碰撞前后的速度大小和方向改变了，同时和壁面碰撞过程中的摩擦作用使颗粒的能量也发生了转移。其次是颗粒在和壁面碰撞后其旋转速度也有较大的增加。
碰撞过程发生的时间虽极为短促（一般为10-4-10-3），但是本质上还可以把它们大致分为两个阶段：第一阶段是从颗粒与壁面开始接触的瞬间起到量碰撞体变形最大为止。在这一阶段中两物体同时受到压缩，称为压缩阶段。第二阶段始于第一阶段结束的瞬间而终止于碰撞过程结束的瞬间，在这一阶段中，两碰撞体由于弹性力的作用而逐渐恢复其原来的形状（但不一定能完全恢复），称为恢复阶段。由于碰撞过程受环境以及颗粒和壁面材料等因素的影响，进行精确的理论计算相当困难，且目前尚无这方面的详细实验数据，本研究采用tabakoff等提出的经验公式来计算颗粒碰撞后的速度。研究喷嘴的冲蚀磨损，首要问题是分析喷头和喷嘴的受力情况，受力分析主要从一下两个方面考虑：一是磨料对喷嘴端面的冲击，二是喷嘴内壁的受力。
在本研究中，喷气喷距离喷嘴端面有一定的距离，磨料引射进入喷枪混合室后，在气流作用下，大部分磨料颗粒随气体进入喷嘴内部，另有一部分颗粒随气流直接冲击喷嘴端面。假设磨料颗粒为球形，以速度V冲击喷嘴表面。
喷嘴材料的冲蚀磨损机理一直是许多学者研究的课题。材料的破坏，归根揭底取决于其所受的应力状态。为研究喷嘴的冲蚀磨损机理，对喷嘴在磨料颗粒冲蚀作用下的应力状态进行有限元分析。
要建立有限元分析模型，首先要确定合适的单元类型。依据喷嘴在工作时的受力状态，为了获得比较高的计算精度，本研究采用三维实体单元进行离散分网。将实体模型离散成若干个形状简单的单元，然后进行应力分析，利用平衡条件和连续条件，最后将各个单元拼装成整体结构。
采用三维实体造型的方法对喷嘴进行有限元建模，实体建模方法的特点在于有限元分析对象为模型的几何特性，无需关注有限元模型的特定几何特征如节点，单元。实体建模，类似于CAD系统，以数学的方式表达结构的几何形状，并在几何模型并不参与有限元分析，二是通过网络划分生成有限元分析模型，所有施加在几何实体边界上的荷载和约束最终传递到节点或单元进行求解。
实体建模方法有两种，即自底向上的建模方法和自上下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元，自上而下的建模方法可以直接船舰最高级的图元，如球，棱柱等三维实体。这两种方法均可以使用布尔运算来组合数据集，从而雕塑出一个实体模型。喷嘴属于轴对称实体，结构比较简单，因此采用自底向上的建模方法。
合适的喷嘴形状，对提高寿命和喷效率至关重要。本研究对不同入口锥角的陶瓷喷嘴进行了应力有限元分析，对于碳化硅陶瓷和氧化铝陶瓷喷嘴而言，有限元应力分析的方法是一致的，包括网络划分，边界条件的设定。通过分析发现，三种陶瓷喷嘴的应力分布图（包括最大和最小应力出现区域）基本一致。因此，下面仅以三种不同入口锥角碳化硅陶瓷螺旋喷嘴为例进行详细介绍，分别为圆柱形直孔喷嘴，15度入口锥角喷嘴30度入口锥角喷嘴。 |
