董 星， 宋永佳， 郭忱灝

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

前混合水射流是磨料水射流的一種，是以高壓水為載體并在噴嘴前混入適量的磨料粒子而形成的新型射流[1]；它具有噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨料混合效果好、能量傳輸效率高、射流密集性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于切割、破碎、除銹、拋光、打孔與噴丸強(qiáng)化等技術(shù)領(lǐng)域[2-8]。

噴嘴是磨料水射流系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的唯一元件，其工作介質(zhì)為多相流體。根據(jù)加工任務(wù)的需要，在磨料水射流應(yīng)用領(lǐng)域，加工對(duì)象不同應(yīng)采用不同的噴嘴形式，而現(xiàn)有的磨料水射流噴嘴很難滿足各種個(gè)性化加工的要求，因此，一些水射流工作者積極開(kāi)展噴嘴結(jié)構(gòu)的研究，以滿足工程實(shí)際的生產(chǎn)需要。董星等[9-10]為探究后混合水射流噴嘴內(nèi)部液固兩相流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用 FLUENT 軟件研究得出噴嘴內(nèi)部的軸向速度和軸向動(dòng)壓強(qiáng)的變化規(guī)律具有相似性，同一條件下，水流場(chǎng)的軸向速度更大，但其軸向動(dòng)壓強(qiáng)小于顆粒流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)；為使后混合水射流在材料的表面處理工作中獲得良好的效果，設(shè)計(jì)出具有扇形混合噴嘴結(jié)構(gòu)的后混合水射流噴頭，并利用 FLUENT 軟件研究得出同一靶距下，擴(kuò)散寬度和軸心速度在V 形切槽夾角為45°時(shí)最大。丁詳青[11]利用FLUENT軟件對(duì)進(jìn)出口比不同的噴嘴進(jìn)行流場(chǎng)分析，得出噴嘴進(jìn)出口比越大，出口射流流速越大。朱靜等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出小入射角會(huì)加劇噴嘴磨損的結(jié)論。郭子豪等[13]為減小噴嘴內(nèi)壁的磨損，將壁面處采用圓角過(guò)渡來(lái)改善射流方向，疏散聚集顆粒。梁博健等[14]通過(guò)模擬得出小入射角會(huì)強(qiáng)化射流性能。筆者綜合非金屬礦物摩擦解離和靶體材料表面處理的共性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種前混合水射流用扁平噴嘴，并分析其射流流場(chǎng)特性，獲得噴嘴入口壓力對(duì)流場(chǎng)特性的影響規(guī)律，為扁平噴嘴的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 扁平噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的扁平噴嘴與前混合水射流發(fā)生裝置配套，設(shè)計(jì)的扁平噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，噴嘴入口直徑d為7 mm，流線形收斂段長(zhǎng)度l1為11.75 mm；扁平段長(zhǎng)度l2為3.10 mm，寬度b為2.50 mm，左右兩側(cè)半圓形半徑r為0.40 mm；擴(kuò)散段長(zhǎng)度l3為2.45 mm，擴(kuò)散角為20°，扁平段和擴(kuò)散段的高度h均為0.80 mm。

根據(jù)噴嘴局部結(jié)構(gòu)作用可以實(shí)現(xiàn)以下功能：一是在用于非金屬礦物解離時(shí)，通過(guò)噴嘴扁平段上下壁面對(duì)高速過(guò)流固相介質(zhì)的約束，實(shí)現(xiàn)礦物的摩擦解離；二是在用于靶體材料表面處理時(shí)，通過(guò)噴嘴出口擴(kuò)散角形成扇形液固兩相射流，擴(kuò)大射流介質(zhì)噴射沖擊靶體材料的單位時(shí)間覆蓋率，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶體材料表面的高效處理。因此，設(shè)計(jì)的扁平噴嘴結(jié)構(gòu)由入口流線形收斂段、中間扁平段和出口擴(kuò)散段3部分組成。入口流線形收斂段使高壓管中的液固兩相流體平穩(wěn)地進(jìn)入噴嘴中間扁平段，減小了入口流動(dòng)阻力損失和噴嘴磨損，增加了壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的能量傳輸效率，提高了射流速度；中間扁平段截面結(jié)構(gòu)形狀是，上下為平面產(chǎn)生過(guò)流約束，左右兩側(cè)為半圓形利于流體通流；出口擴(kuò)散段截面結(jié)構(gòu)為矩形，形成扇形射流，提高了沖擊靶體材料的覆蓋面積。

2 模型與計(jì)算方法

2.1 有限元模型

根據(jù)圖1扁平噴嘴結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Solidworks建立噴嘴幾何模型。在Workbench環(huán)境下，將幾何模型導(dǎo)入到組件系統(tǒng)Mesh模塊，利用Mesh模塊網(wǎng)格功能進(jìn)行噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)網(wǎng)格劃分；為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，全局采用細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)模型的扁平段和擴(kuò)散段進(jìn)行局部加密。圖2給出了扁平噴嘴有限元模型(俯視圖)，模型的網(wǎng)格單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為287 005和53 745。

圖1 扁平噴嘴結(jié)構(gòu)Fig. 1 Flat nozzle structure

圖2 有限元模型Fig. 2 Finite element model

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 控制方程

前混合水射流是液固兩相高速射流，噴嘴中工作介質(zhì)的流動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界流速，湍流強(qiáng)度較大，射流流場(chǎng)液固兩相介質(zhì)均近似于連續(xù)介質(zhì)，且在大流量固體粒子表面處理過(guò)程中固相顆粒體積分?jǐn)?shù)大于10 %，適用于歐拉多相流模型。因此，選擇的液固兩相流動(dòng)模型為歐拉模型，其控制方程[9]為

連續(xù)性方程為

?(α1ρ1v1)=0，

(1)

?(αpρpvp)=0，

(2)

式中：α1、αp——水和固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)；

ρ1、ρp——水和固相顆粒的密度；

v1、vp——水和固相顆粒的速度向量。

動(dòng)量方程為

?(α1ρ1ν1ν1)=-α1?p+?τ1+α1ρ1g+

Kp1(νp-ν1)+α1ρ1(F1+Flift,1)，

(3)

?(αpρpνpνp)=-αp?p+?pp+?τp+αpρpg+

K1p(ν1-νp)+αpρp(Fp+Flift,p)，

(4)

式中：p——水和固相顆粒所有相共享的壓力；

τ1、τp——水和固相顆粒的壓力應(yīng)變量；

g——重力加速度；

K1p、Kp1——水和固相顆粒兩相之間的動(dòng)量交換系數(shù)，K1p=Kp1；

F1、Fp——水和固相顆粒的外部體積力；

Flift，1、Flift,p——水和固相顆粒的升力；

pp——固相顆粒的壓力。

2.2.2 湍流模型

根據(jù)前混合水射流液固兩相射流流場(chǎng)特性，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，湍動(dòng)能k方程和耗散率ε方程[10]分別為

湍動(dòng)能k方程為

(5)

耗散率方程為

(6)

式中：k——單位質(zhì)量流體湍動(dòng)能；

μt——湍流黏性系數(shù)，μt=Cμρk2/ε；

Cμ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

ε——單位質(zhì)量流體湍動(dòng)能耗散率；

C1、C2——系數(shù)；

σk、σε——分別為k和ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，取Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3[15]。

2.3 計(jì)算方法與邊界條件

計(jì)算方法：采用三維雙精度求解器，壓力速度耦合采用Simple算法，空間離散格式中的梯度采用最小二乘單元法，選擇高階松弛處理，松弛因子為0.25，數(shù)值模擬收斂判據(jù)為流場(chǎng)迭代的變量殘差值R≤10-3。

邊界條件：噴嘴入口邊界條件選擇壓力入口，通過(guò)改變?nèi)肟趬毫Υ笮》治鰤毫?duì)射流流場(chǎng)特性的影響；噴嘴出口邊界條件選擇壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計(jì)算時(shí)將水設(shè)置為主相，密度為1 000 kg/m3，黏度為1×10-3Pa·s；將固相顆粒設(shè)置為次相，設(shè)密度為3 900 kg/m3、黏度為1×10-5Pa·s、直徑為0.10 mm，體積分?jǐn)?shù)為20%。

3 結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對(duì)水流場(chǎng)特性的影響

圖3和圖4分別給出了噴嘴入口壓力為2、4、5、6、8 MPa時(shí)，水流場(chǎng)軸向速度va和軸向動(dòng)壓強(qiáng)pa分布云圖。

由圖3可見(jiàn)，不同噴嘴入口壓力條件下水流場(chǎng)軸向速度分布規(guī)律相同，具有明顯的面對(duì)稱性。在內(nèi)流場(chǎng)，軸向速度隨著流線形收斂段橫截面積的逐漸減小而不斷增大，在進(jìn)入扁平段位置處過(guò)渡平緩、無(wú)速度突變現(xiàn)象，進(jìn)入扁平段后達(dá)到最大值；在扁平段，橫截面積沿程不變，軸向速度保持不變；在擴(kuò)散段，軸向速度隨著橫截面積的逐漸增大而不斷減?。辉趪娮斐隹诮孛孑S心速度分別為45.88、65.10、72.17、78.37和90.58 m/s。在外流場(chǎng)，射流湍流脈動(dòng)在外邊界形成漩渦，使周圍的空氣被卷入射流，兩者摻混在一起向前運(yùn)動(dòng)，射流的斷面不斷擴(kuò)大，水流場(chǎng)的軸向速度逐漸減小，在靶距為15 mm位置處軸心速度分別為22.42、31.82、34.88、37.57和43.31 m/s。

圖3 水流場(chǎng)軸向速度分布云圖Fig. 3 Axial velocity contour of water flow field

由圖4可見(jiàn)，不同噴嘴入口壓力條件下水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，亦具有明顯的面對(duì)稱性。在內(nèi)流場(chǎng)，軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨著流線形收斂段橫截面積的逐漸減小而不斷增大，進(jìn)入扁平段后達(dá)到最大值；在扁平段，軸向動(dòng)壓強(qiáng)保持不變；在擴(kuò)散段，軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨著橫截面積的逐漸增大而不斷減??；在噴嘴出口截面軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為1.05、2.12、2.60、3.07和4.09 MPa。在外流場(chǎng)，隨著靶距的逐漸增大軸向動(dòng)壓強(qiáng)逐漸減小，在靶距為15 mm時(shí)軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為0.25、0.51、0.61、0.71和0.94 MPa。

圖4 水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖Fig. 4 Axial dynamic pressure contour of water flow field

3.2 入口壓力對(duì)顆粒流場(chǎng)特性的影響

圖5和圖6分別給出了噴嘴入口壓力為2、4、5、6、8 MPa時(shí)，顆粒流場(chǎng)軸向速度vb和軸向動(dòng)壓強(qiáng)pb分布云圖。

圖5 顆粒流場(chǎng)軸向速度分布云圖Fig. 5 Axial velocity contour of particle flow field

由圖5可見(jiàn)，不同噴嘴入口壓力條件下顆粒流場(chǎng)軸向速度分布規(guī)律相同，并與水流場(chǎng)軸向速度分布規(guī)律相似，具有明顯的面對(duì)稱性。在噴嘴出口截面顆粒流場(chǎng)的軸心速度分別為53.94、76.62、84.25、90.35和104.40 m/s；在外流場(chǎng)靶距為15 mm位置處，顆粒流場(chǎng)的軸心速度分別為25.30、36.41、40.02、43.13和50.02 m/s。由圖6可見(jiàn)，不同噴嘴入口壓力條件下顆粒流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律相同，亦與水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律相似，并具有明顯的面對(duì)稱性。在噴嘴出口截面顆粒流場(chǎng)的軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為5.67、11.45、13.84、15.92和21.25 MPa；在外流場(chǎng)靶距為15 mm位置處，顆粒流場(chǎng)的軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為1.25、2.59、3.13、3.63和4.88 MPa。

圖6 顆粒流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖Fig. 6 Axial dynamic pressure contour of particle flow field

通過(guò)比較圖5與圖3、圖6與圖4的軸心速度、軸心動(dòng)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)可知，相同噴嘴入口壓力條件下，在噴嘴出口和外流場(chǎng)靶距15 mm的位置處，顆粒流場(chǎng)的軸心速度和軸心動(dòng)壓強(qiáng)均大于水流場(chǎng)的軸心速度和軸心動(dòng)壓強(qiáng)。這是因?yàn)楣滔囝w粒的密度明顯大于水的密度，在噴嘴擴(kuò)散段和靶距為15 mm外流場(chǎng)的位置，由于流場(chǎng)截面沿程的不斷擴(kuò)大及周圍空氣的摻混，水的速度迅速衰減，而固相顆粒由于慣性作用速度衰減緩慢產(chǎn)生的結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)出與前混合水射流發(fā)生裝置配套的扁平噴嘴，其結(jié)構(gòu)由入口流線形收斂段、中間扁平段和出口擴(kuò)散段組成，可以滿足非金屬礦物摩擦解離和靶體材料表面處理的共性要求。

(2)扁平噴嘴水流場(chǎng)軸向速度分布規(guī)律與顆粒流場(chǎng)軸向速度分布規(guī)律相似，具有明顯的面對(duì)稱性，且與噴嘴入口壓力無(wú)關(guān)。在噴嘴出口截面和射流靶距為15 mm位置處，水流場(chǎng)軸心速度和顆粒流場(chǎng)軸心速度均隨噴嘴入口壓力的增加而增大。

(3)噴嘴入口壓力相同時(shí)，在噴嘴出口和射流靶距為15 mm位置處，顆粒流場(chǎng)的軸心速度和軸心動(dòng)壓強(qiáng)均大于水流場(chǎng)的軸心速度和軸心動(dòng)壓強(qiáng)。當(dāng)入口壓力為5 MPa時(shí)，顆粒流場(chǎng)的軸心速度、軸心動(dòng)壓強(qiáng)和水流場(chǎng)的軸心速度、軸心動(dòng)壓強(qiáng)分別為40.02 m/s、3.13 MPa和34.88 m/s、0.61 MPa。