材料表面的垢层破损以其微结构的破裂受很多因素影响,如黏性、力学性能、垢层的颗粒大小、垢层和材料的结合力等。对高压水射流清洗机理的分析是基于大量实验以及前人总结的经验结果等,一些实验方法中建立的简化模型不同,分析时因侧重点不同而给定的假设条件不同,最终得到的结论也不尽相同,因此全面描述高压水射流的清洗机理较困难。本文对三种在工业生产中常用的喷嘴进行仿真,并对其中射流性能表现最佳的喷嘴进行结构优化。仿真结果表明,对喷嘴内表面直径过渡段圆滑过渡优化,得到的R90喷嘴的射流性能较突出。基于得到的分析结果,提出了一种新型螺旋喷嘴,其沿Y和Z方向的射流速度分量并非对称,与仅改变初始喷射角度相比,优化后的螺旋喷嘴会在清洗表面产生像磨削轮的作用,不仅对清洗表明有冲击作用还有剪切作用,其剪切作用集中了较强的湍流特性,在轴向射流附近、螺旋线附近以及环境介质与射流介质的边界附近湍流强度较大。而且喷嘴喷出的轴向中心射流产生的冲击力和螺旋线引导的剪切力,都将在垢层表面产生卷吸作用,同时二者会有交汇,由于垢层表面的流体流动较为复杂,暂无法由单一卷吸方程描述其卷吸作用。射流冲击至垢层表面后,其速度、动量和动压都将发生明显变化,能量损失将传递至垢层表面。总冲击力的大小不能直接代表清洗垢层能力的大小。而动压—定义流动流体或气体特性,可以较准确地反映射流清洗能力。用于高压清洗的喷嘴,如圆柱收缩型喷嘴,其喷射的圆锥状射流冲击垢层表面后,轴向中心处的正压力最大,但清洗面积较小,一般只集中在射流中心处;还有一类用于除灰降尘的外螺旋喷嘴,喷射雾状射流,射流面积较大,但没有足够的清洗材料表面污垢的能力;而螺旋喷嘴的壁面附近的剪切射流弥补了清洗宽度小、边界射流动压低的不足,射流介质(水或其他一些清洗剂)都有一定的粘性,射流从喷嘴喷出后,边界面附近的剪切射流对内层射流有摩擦力,层层相互作用,最后冲击垢层表面时,在射流发散的圆周区域内发挥清洗作用的包含了正面冲击力和切向剪切力,既保证了清洗能力,又增大了清洗面积,提高了清洗效率。在高压水射流清洗实验系统的设计中,分析了实验原理和测试任务、射流发生设备和控制系统的组成,射流发生设备包括清洗泵、过滤泵、流量计、蝶阀、储能器、压力表等,控制系统包括工控机、各类传感器、PC端、工业相机等,并完成了高压水射流实验水路原理图、实验装置总图、电气控制系统框图的设计。