葉建友，呂彥明

（江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫 214122）

水射流沖擊壓力最佳噴距數(shù)值仿真及試驗研究

葉建友，呂彥明

（江南大學江蘇省食品先進制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇無錫 214122）

基于水射流沖擊模型，應用Fluent流體分析軟件對噴嘴射流沖擊力進行數(shù)值仿真，得出不同噴距對射流沖擊壓力的影響。結(jié)果表明：在低壓連續(xù)水射流條件下，出口直徑為2 mm的噴嘴在噴距為50 mm時產(chǎn)生的射流沖擊壓力最大；并通過實驗驗證射流仿真模型的正確性和有效性。

水射流；數(shù)值模擬；噴距；沖擊壓力

水射流廣泛應用于消防、噴灌、清洗、切割等領(lǐng)域，對國民的生產(chǎn)生活具有重要意義。國內(nèi)外學者對其特性進行了許多研究。Nie Baisheng等[1]分析了磨料水射流撞擊壁面的流場變化，得到?jīng)_擊壓力的大小與輸入壓力有關(guān)、與壁面距噴嘴的距離成反比的結(jié)論。Rajaratnam等[2]對噴嘴外水射流的速度與水體積分布進行了實驗研究。Leach等[3]對射流沖擊壁面的壓力分布進行了實驗研究，得到噴嘴的幾何形狀影響著射流軸心壓力的結(jié)論。Leu等[4]對射流的結(jié)構(gòu)和流場特性進行了研究，并將射流劃分為不同區(qū)域。沈忠厚等[5-8]通過實驗方法分析了淹沒條件下噴距對射流沖蝕巖石的影響及非自由射流沖擊產(chǎn)生的壓力變化規(guī)律，對于射流位于軸心的壓力衰減及分布提出了計算方法，在常壓下對由脈沖噴嘴產(chǎn)生的自由淹沒射流的結(jié)構(gòu)特性進行了分析，同時研究了自振空化射流的壓力特性與其參數(shù)的影響規(guī)律均在常壓下進行。衣正堯等[9-10]提出了水射流沖擊時流體建模的新方法，通過建立的沖擊模型數(shù)值模擬了湍流時的噴射流場及水射流沖擊速度場，仿真分析了不同壓力、口徑和噴距下的流場特性。

本文對水射流沖擊特性進行仿真分析，得出了沖擊力和噴距之間的關(guān)系，并提出其在低剛度零件切削加工輔助支撐中的應用。

1 射流沖擊的建模

1.1 幾何模型

本文通過三維軟件UG建立射流沖擊的幾何模型，包括噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域及外部空間環(huán)境區(qū)域（圖1）。其中，噴嘴的進口直徑D=10 mm，出口直徑d=2 mm，收縮角α=13°，錐直線段長度L=14 mm，噴嘴圓柱段長度l=6 mm。

將幾何模型進行網(wǎng)格劃分及邊界指定（圖2），對噴嘴出口及壁面中心部分進行局部加密處理，外部空間區(qū)域的長度（噴距）為不定值，可根據(jù)需要設(shè)定，區(qū)域的徑向范圍較大，以滿足在射流沖擊壁面時不產(chǎn)生逆向的回流。

圖1 幾何模型的建立

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界指定

1.2 邊界條件

射流經(jīng)噴嘴噴出、穿過大氣后，對壁面產(chǎn)生沖擊作用，在非淹沒條件下，流體介質(zhì)設(shè)定為水，環(huán)境介質(zhì)為空氣。如圖2所示，入口為噴嘴壓力入口，初始時的水相體積分數(shù)為1；出口為射流壓力出口，為1標準大氣壓；壁面為無滑移標準壁面；L為噴距，可根據(jù)仿真需要進行設(shè)置。

1.3 求解方法與計算模型

本文選用分離求解器，采用隱式方案求解，并應用工程上最廣泛的SIMPLE算法進行流場求解計算。Fluent軟件中的計算模型包括多相流模型、能量方程、黏性模型等，本文對非淹沒條件下的射流進行沖擊仿真分析，其間存在氣液兩相流，且發(fā)生湍流流動，故主要考慮多相流模型和黏性模型。

2 仿真分析

在噴嘴出口直徑、噴距確定時，對不同射流壓力下的射流沖擊力進行仿真。當射流壓力為5 MPa、噴嘴出口直徑為2 mm、噴距為20 mm時，其仿真結(jié)果見圖3，射流對壁面的沖擊壓力最大值為29.3 N。

圖3 射流對壁面沖擊的壓力分布圖

同時，在噴嘴出口直徑為2 mm時，分別選取射流壓力為1、2、3、4、5、6 MPa、噴距為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm進行仿真，采用Origin軟件對仿真結(jié)果進行分析處理，結(jié)果見圖4?？煽闯觯淞鳑_擊力隨著噴距的增大先增大、后減小，且仿真結(jié)果在理論計算結(jié)果附近上下波動。根據(jù)已知研究結(jié)果[11]，射流在空氣中沖擊物體時，在起始處隨著噴距的增大，沖擊力得以增加；當噴距增加到一定的位置時，沖擊力的數(shù)值達到最大，隨后開始減小，即射流沖擊物體時存在著最佳噴距。

圖4 噴嘴出口直徑2 mm時，不同噴距的沖擊力

3 實驗及結(jié)果

為了驗證仿真得出的水射流沖擊壓力和噴距之間的關(guān)系，進行了水射流沖擊實驗（圖5）。選取噴嘴出口直徑為2 mm，考慮到高壓泵對射流壓力的實際可調(diào)節(jié)范圍，選擇射流壓力分別為1、2、3、4、5、6 MPa，噴距分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm。噴嘴中心對準作用力點，對彈性元件進行垂直射流沖擊，通過電阻應變儀讀取相應的應變值。由于射流壓力在調(diào)節(jié)和傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生波動，在記錄數(shù)據(jù)時選擇記錄多個數(shù)據(jù)，并取其平均值作為最終應變測量結(jié)果。

圖5 射流沖擊力實驗現(xiàn)場

對測量數(shù)據(jù)進行處理后，可得到噴嘴出口直徑為2 mm時，不同射流壓力對應不同噴距下的射流沖擊力。由表1可看出，當射流壓力一定時，噴距在10～50 mm范圍內(nèi)增加，射流沖擊力也隨之增大；噴距在50～100 mm范圍內(nèi)增加，射流沖擊力隨之減小。分析可知，噴嘴出口存在著初始段速度核心區(qū)，射流的速度場與噴嘴出口處相當；超過初始段，射流的集束性變?nèi)?，射流速度隨著噴距的增加而降低，射流沖擊力逐漸減小。由實驗結(jié)果可知，出口直徑為2 mm的噴嘴，其最佳噴距約為50 mm。

表1 仿真不同進口壓力、不同噴距下的射流沖擊力

4 應用

軸類零件是經(jīng)常遇到的典型零件。細長軸本身剛性差，其長度與直徑比（L/d）一般大于25，且L/d的值越大，剛性越差。加工過程中，由于切削力的作用，細長軸會發(fā)生彎曲變形，從而引起加工誤差。采用鏡像誤差補償原理，即為射流產(chǎn)生一個和切削力相位差180°的沖擊力波形，以抵消切削力，由此提高零件的工藝剛性，減小零件變形，抑制工藝系統(tǒng)的振動。

水射流噴射裝置通過夾具固定，并使其和機床車刀同步運動，從而保證切削力和射流沖擊力相位差180°。細長軸桿徑方向受到的合力為切削力和射流沖擊力之差，沖擊力易通過射流供壓壓力進行控制。通過調(diào)節(jié)供壓壓力，使射流沖擊力與切削力大小相等，因此，桿徑方向受到的合力可顯著減小。圖6是細長軸車削射流輔助支撐實驗裝置，主要由射流發(fā)生裝置、切削力測量裝置及夾具裝置等組成。

圖6 細長軸車削射流輔助支撐實驗裝置

5 結(jié)論

（1）實驗得到的射流沖擊力變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致。當噴距一定時，沖擊力隨著壓力的增加而增大，且壓力越大，其產(chǎn)生的誤差越大。

（2）當噴嘴出口直徑為2 mm且射流壓力確定時，噴距在10～50 mm范圍內(nèi)增加，射流沖擊力隨之增大；噴距在50～100 mm范圍內(nèi)增加，射流沖擊力隨之減小。

（3）低壓水射流對細長軸的切削加工提供柔性輔助支撐作用，可提高其剛度，減小其在加工中的變形，成為低剛度零件新的加工技術(shù)。

[1]Nie Baisheng，Wang Hui.Numerical investigation of the flow field inside and outside high-pressure abrasive waterjet nozzle[J].Procedia Engineering，2011，26：48-55.

[2]Rajaratnam N，Albers C.Water distribution in very high velocity water jets in air[J].Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（6）：647-650.

[3]Leach S J，Walker G L，Smith A V.Some aspects of rock cutting by high speed water jets[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1966，260：295-310.

[4]Leu M C，Meng P.Mathematical modeling and experimental verification of stationary water jet cleaning process [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，1998，120：571-579.

[5]王德新，沈忠厚.在淹沒條件下噴咀距離對射流沖蝕巖石體積影響的實驗研究[J].華東石油學院學報，1983 （1）：21-28.

[6]孫慶孝，沈忠厚.淹沒非自由射流壓力衰減規(guī)律的實驗研究及井底水力參數(shù)計算[J].華東石油學院學報（自然科學版），1986（1）：26-40.

[7]孫寶江，沈忠厚.脈沖噴嘴射流特性試驗研究[J].石油大學學報（自然科學版），1992（4）：32-35.

[8]李根生，沈忠厚，周長山，等.自振空化射流沖擊壓力脈動特性實驗研究[J].水動力學研究與進展，2003，18 （5）：571-575.

[9]衣正堯，王興如，劉富強，等.純水射流沖擊性能的CFD建模與仿真分析[J].液壓氣動與密封，2012（1）：54-57.

[10]衣正堯，武劍，劉富強，等.純水射流除鐵銹性能的仿真對比分析與試驗研究[J].流體機械，2012，40（6）：5-9.

[11]沈忠厚.水射流理論與技術(shù)[M].北京：石油大學出版社，1998.

Numerical Simulation and Experimental Research on the Best Jet Distances of Water Jet Impact Force

Ye Jianyou，Lü Yanming
（Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Based on water jet impact model，the jet impact numerical simulation was carried out by Fluent.The content include the effect of different jet distances influence on the jet impact pressure. The result shows that in the low pressure continuous water jet，the jet impact pressure maximum when the nozzle diameter is 2 mm and the jet distances is 50 mm.Finally，the validity and effectiveness of the jet simulation model were verified.

water jet；numerical simulation；jet distances；impact force

TP69

A

1009－279X（2014）05－0034-03

2014-06-20

教育部高校自主科研基金資助項目（JUSRP21116）；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2013015-13）；江蘇省“六大人才高峰”資助項目（2012-ZBZZ-003）

葉建友，男，1988年生，碩士研究生。