王志陽，王凱

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

基于FLUENT的磨料水射流拋光噴嘴的流場仿真

王志陽，王凱

（北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

針對三種典型結(jié)構(gòu)的磨料水射流噴嘴，基于多相流動的VOF模型，利用計算機(jī)流體力學(xué)的方法對磨料射流系統(tǒng)的高壓水射流流場進(jìn)行兩相流的數(shù)值模擬，分析對比了三種結(jié)構(gòu)噴嘴流場的速度、壓力、紊動強(qiáng)度等參數(shù)。結(jié)果表明，錐柱形噴嘴具有較優(yōu)的綜合性能，適合作為磨料水射流拋光的寶石噴嘴；在錐柱形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對三種不同的收縮角進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，30度收縮角具有較優(yōu)的射流特性。

磨料水射流；拋光；數(shù)值模擬；噴嘴內(nèi)流場

磨料水射流(Abrasive Water Jet，簡稱AWJ)拋光是在高壓水射流中混入磨料粒子，高壓水作為載體使磨料粒子加速，利用小噴管噴出的混有磨料粒子的高速拋光液柱作用于工件表面，與工件表面發(fā)生沖擊、碰撞、剪切而去除材料，達(dá)到拋光目的。和傳統(tǒng)加工技術(shù)相比, 它具有加工精度高、無工具磨損、反作用力小、加工柔性高等技術(shù)優(yōu)點。研究表明，在磨料水射流拋光加工過程中，有超過25個加工參數(shù)對加工結(jié)果有直接影響。磨料水射流噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀對于高壓水射流的形成、磨料粒子的加速、磨料粒子的分布都有至關(guān)重要的影響。針對國內(nèi)目前對磨料水射流噴嘴的研究現(xiàn)狀，本文通過FLUENT軟件對后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流場進(jìn)行模擬仿真，從而使磨料粒子在混合腔內(nèi)充分混合，提高拋光質(zhì)量，提升拋光效率等。

1 磨料水射流噴嘴物理模型

磨料水射流噴嘴的物理模型如圖1所示。在后混合磨料水射流系統(tǒng)內(nèi)，水噴嘴實際上是一個收斂型噴嘴，國內(nèi)主要使用紅寶石或藍(lán)寶石噴嘴。本文針對三種典型寶石噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對比，三種結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1給出了三種結(jié)構(gòu)噴嘴的基本幾何尺寸。

表1 寶石噴嘴幾何參數(shù)

2 FLUENT仿真模型的建立及流場分析

（1）FLUENT仿真模型的建立。根據(jù)三種不同結(jié)構(gòu)噴嘴，考慮到射流外區(qū)域為混合腔，建立如圖2所示的磨料水射流噴嘴射流幾何模型，計算域設(shè)置如圖2所示，AB為旋轉(zhuǎn)軸，AI為高壓水壓力入口，DC、CB為空氣壓力出口，IH、HG、GF、FE、ED等為壁面。仿真采用的參數(shù)如下：第一相為空氣（密度1.225 ，動力粘度）；第二相為水（密度998，動力粘度））邊界條件設(shè)置：入口為壓力入口，壓力為30MPa，壓力出口壓強(qiáng)101325Pa；考慮重力作用；解算器設(shè)置：采用VOF瞬態(tài)模型求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型，時間步長設(shè)置為。

圖1 磨料水射流寶石噴嘴物理模型

圖2 磨料水射流噴嘴幾何模型

（2）三種結(jié)構(gòu)寶石噴嘴仿真結(jié)果分析對比。圖3～5給出了三種不同結(jié)構(gòu)噴嘴流場的速度分布和紊動強(qiáng)度分布，圖3可以看出，錐形噴嘴和錐柱形噴嘴的加速性能較好，錐柱形噴嘴流場分布更為均勻；錐柱開口形噴嘴射流擴(kuò)散角最大，這對混合腔內(nèi)磨料粒子的充分混合有利，但是射流加速性能（軸線速度較低）最差，并且在混合腔內(nèi)射流速度下降較快；由圖4可知，錐形噴嘴混合腔內(nèi)紊動強(qiáng)度最高，錐柱形噴嘴混合腔內(nèi)紊動強(qiáng)度范圍最廣，這有利于磨料在混合腔內(nèi)的充分混合和加速。對于后混合方式來說，磨料的吸入主要靠高速射流在卷吸作用下產(chǎn)生的真空負(fù)壓，并通過卷吸作用使磨料粒子在混合腔內(nèi)與高壓水束混合，因此在混合腔內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓越大，則越有利于磨料的吸入和混合。表2給出了三種不同結(jié)構(gòu)噴嘴高壓射流在混合腔內(nèi)最大負(fù)壓值。其中，錐柱開口形在混合腔產(chǎn)生的最大負(fù)壓相對較大，其次是錐柱形噴嘴。對比以上數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，本文擬采用綜合性能較優(yōu)的錐柱形噴嘴，對其進(jìn)行不同收縮角對射流特性影響的仿真。

表2 不同結(jié)構(gòu)噴嘴混合腔最大負(fù)壓

（3）錐柱形寶石噴嘴不同收縮角對射流特性的影響。 基于錐柱形噴嘴的結(jié)構(gòu)，分析不同收縮角對于射流特性的影響，本文選取了20°、30°和40°三種收縮角進(jìn)行分析。圖5～6給出了三種不同收縮角的噴嘴流場的速度分布和紊動強(qiáng)度分布，從圖7可以提取如下數(shù)據(jù)：收縮角的大小對液體加速性能的影響幾乎沒有差別，但隨著收縮角的增加 ，射流擴(kuò)張角逐漸增大，速度場寬度也在增大，射流擴(kuò)張角越大，速度場寬度越大，則對于磨料的充分混合越有利；隨著收縮角增大，混合腔流場的紊動強(qiáng)度增加，湍流區(qū)域逐漸增加，液柱寬度增加；收縮角過大，會影響射流動能，因此收縮角不易過大。表3給出了不同收縮角噴嘴高壓射流在混合腔內(nèi)最大負(fù)壓值。結(jié)果顯示，液柱寬度與混合腔負(fù)壓變化不大。

圖3 不同結(jié)構(gòu)噴嘴軸線速度曲線

表3 不同收縮角錐柱形噴嘴混合腔最大負(fù)壓

圖4 錐柱形寶石噴嘴不同收縮角物理模型

4 結(jié)語

圖5 不同收縮角錐柱形噴嘴速度云圖

圖6 不同收縮角錐柱形噴嘴紊動強(qiáng)度分布云圖

（1）綜合對比仿真結(jié)果，從射流加速性能來看，錐柱形噴嘴具有較優(yōu)的加速性能和外部射流均勻性；從紊動強(qiáng)度看，錐形噴嘴混合腔內(nèi)紊動強(qiáng)度最高，錐柱形湍流面積相對較大，這利于磨料在混合腔內(nèi)的充分混合；從外部射流氣液兩相流體積分?jǐn)?shù)分析，錐形噴嘴混合腔內(nèi)液柱最窄，錐柱開口型最寬。對于磨料射流拋光的高壓寶石噴嘴，錐柱形噴嘴具有較優(yōu)的綜合性能，其次是錐柱開口形。（2）隨著噴嘴收縮角的增大，射流擴(kuò)張角、速度場寬度、紊動強(qiáng)度和湍流區(qū)域都在增加，這些都有利于磨料在混合腔內(nèi)充分混合加速；但收縮角越大，射流動能越低，因此寶石噴嘴的收縮角不宜過大。（3）噴嘴收縮角對于混合腔的最大負(fù)壓以及高壓水的加速性能沒有太大影響。

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