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颗粒极易对喷嘴出口部位造成严重磨损。 但由于喷针尖部的 “速度亏损” 现象， 使得泥沙颗粒与喷针
尖部壁面的碰撞减少， 并未出现大面积高磨损区。 因此， 喷嘴出口的磨损率远大于喷针。

图 ７ 喷射机构速度云图 图 ８ 喷射机构压力云图

结合以上喷射机构的磨损和流动特性可知， 喷射机构内高速水流中所携带的泥沙颗粒会撞击喷嘴
壁面、 导流板和喷针， 从而造成材料剥蚀， 但不同部位磨损程度差异较大。 为更加细致地分析不同区
域磨损特性， 本文将喷嘴和喷针进行详细分区研究， 重点关注颗粒磨损严重区域， 即喷嘴喉部
（ｚｏｎｅ４）、 喷针过渡区域（ｚｏｎｅ３）和喷针尖部（ｚｏｎｅ４）。 具体区域划分见图 ９。

图 ９ 喷射机构区域划分

表 ４ 为各区域的磨损率对比。 喷射机构中， 喷嘴喉部 ｚｏｎｅ４ 的最大磨损率和平均磨损率均最大，
且喷嘴喉部 ｚｏｎｅ４ 的平均磨损率接近整体喷嘴平均磨损率的 ６ 倍； 喷针 ｚｏｎｅ３ 和 ｚｏｎｅ４ 的最大磨损率值
较高， 且喷针尖部 ｚｏｎｅ４ 的平均磨损率约为整体平均磨损率的 １３ 倍， 即会出现局部高磨损点。 故喷射
机构收缩部位磨损严重， 且不同区域磨损特性差异大， 因此在开展抗磨损设计时可优先考虑易磨损的
喷射机构收缩部位的设计。
表 ４ 喷射机构不同区域磨损率 单位： ｋｇ∕（ｍ ·ｓ）
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磨损率 ｚｏｎｅ１ ｚｏｎｅ２ ｚｏｎｅ３ ｚｏｎｅ４ 整体
平均磨损率 １．５３×１０ －８ ４．３５×１０ －８ ６．０４×１０ －８ ２．２３×１０ －５ ３．７９×１０ －６
喷嘴
最大磨损率 １．０１×１０ －６ ４．０９×１０ －７ ４．２８×１０ －６ ７．２７×１０ －２ ７．２７×１０ －２
平均磨损率 ６．２７×１０ －１０ １．９９×１０ －９ ２．１０×１０ －８ ２．３１×１０ －７ １．７６×１０ －８
喷针
最大磨损率 ６．９７×１０ －７ １．６８×１０ －６ １．５１×１０ －５ １．０２×１０ －３ １．０２×１０ －３

４．２ 喷射机构粒子运动分析 图 １０ 为清水工况喷嘴各截面的流线分布， 图 １１ 为清水工况与含沙工况
下的流线及颗粒运动轨迹。 图 １０ 中， 水流在从分岔管流入喷嘴时， 靠近内侧的迪恩涡对逐渐发展至
喷嘴中； 当水流流经喷针时， 内侧的漩涡被破坏， 被瓦解成外侧的一对较大漩涡以及四周的碎小漩
涡； 当流过喷嘴收缩段时， 过流面积急剧减小， 漩涡被挤压破碎。 对比图 １１， 泥沙颗粒在喷嘴入口的
运动轨迹分布同清水工况流线相似， 表明此时小粒径颗粒具有较好的随流性； 但当颗粒流经喷针尾部
和导流板时， 颗粒运动方向改变， 即颗粒在壁面和尖部狭小区发生碰撞， 但很快颗粒轨迹恢复与水流

流线方向一致。
图 １２ 为泥沙颗粒 在 喷 嘴 内 运 动 的 停 留 时 间， 图 １３ 为 泥 沙 颗 粒 运 动 示 意 图。 结 合 图 １２ 和
图 １３ 可以看到泥沙颗粒在喷嘴内侧和导流板末端停留时间较长。 其原因在于泥沙颗粒的直径较小，
随流性更好， 因而多半泥沙颗粒被水流裹挟聚集在喷嘴内侧， 在导流板末端停留时间更长， 从而增

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