煤炭学报

作者：张宏图, 马欣悦, 魏建平, 刘勇, 叶红燕, 李博涛,

关键词：磨料空气射流, 矩形截面喷嘴, 喷嘴结构, 喷嘴磨损, 响应面分析,

低压磨料空气射流作为新型辅助破岩技术，在2 MPa压力下通过矩形截面喷嘴实现磨料的超声速喷射，提升破岩效率。但磨料与喷嘴内壁的碰撞磨损会影响射流稳定性及效率，为明确低压磨料空气射流中结构参数对喷嘴磨损特性的影响，采用CFD-DEM耦合方法，结合Archard Wear模型，对不同结构参数的拉瓦尔(Laval)矩形截面喷嘴内流体进行数值模拟，研究收敛段长度、喉部尺寸和扩张段长度对喷嘴磨损的影响。基于Box-Behnken试验设计方法构建二阶响应面模型，量化各结构参数对喷嘴磨损的显著性影响，并提出优化喷嘴结构设计。结果表明：矩形喷嘴的磨损主要集中于收敛段后端和扩张段前端，其中扩张段磨损区域呈U型分布；收敛段长度与最大磨损深度呈负相关，收敛段从10 mm增至30 mm时，磨损深度由1.25×10−5 mm降至2.82×10−6 mm，降幅达77.4%；喷嘴的最大磨损深度与喉部尺寸呈负相关，而随着喉部尺寸的增加，粒子最大射出速度先增大后减小；随着扩张段延长，喷嘴最大磨损深度先增大后缓慢减小，粒子最大射出速度逐渐增加；通过响应面分析可知，喷嘴的最大磨损深度对收敛段长度敏感度最高，扩张段长度对粒子最大射出速度影响最显著；优化后的喷嘴参数为收敛段30 mm、喉部3.12 mm×10.38 mm、扩张段157 mm，较标准喷嘴磨损深度降低68.87%，磨料粒子射出最大速度提升5.83%，实现了低磨损与高效率的平衡。

来源：2026年第2期

《煤炭学报》期刊编辑部

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