基于FLUENT的磨料水射流拋光噴嘴的流場仿真

王志陽，王凱

（北京航空航天大學交通科學與工程學院，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

（北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191）

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

磨料水射流；拋光；數值模擬；噴嘴內流場

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，與工件表面發生沖擊、碰撞、剪切而去除材料，達到拋光目的。和傳統加工技術相比, 它具有加工精度高、無工具磨損、反作用力小、加工柔性高等技術優點。研究表明，在磨料水射流拋光加工過程中，有超過25個加工參數對加工結果有直接影響。磨料水射流噴嘴的結構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重要的影響。針對國內目前對磨料水射流噴嘴的研究現狀，本文通過FLUENT軟件對后混合磨料水射流噴嘴內部流場進行模擬仿真，從而使磨料粒子在混合腔內充分混合，提高拋光質量，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內，水噴嘴實際上是一個收斂型噴嘴，國內主要使用紅寶石或藍寶石噴嘴。本文針對三種典型寶石噴嘴結構進行仿真對比，三種結構如圖1所示。表1給出了三種結構噴嘴的基本幾何尺寸。

表1 寶石噴嘴幾何參數

2 FLUENT仿真模型的建立及流場分析

（1）FLUENT仿真模型的建立。根據三種不同結構噴嘴，考慮到射流外區域為混合腔，建立如圖2所示的磨料水射流噴嘴射流幾何模型，計算域設置如圖2所示，AB為旋轉軸，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））邊界條件設置：入口為壓力入口，壓力為30MPa，壓力出口壓強101325Pa；考慮重力作用；解算器設置：采用VOF瞬態模型求解，湍流模型采用標準k—ε模型，時間步長設置為。

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）三種結構寶石噴嘴仿真結果分析對比。圖3～5給出了三種不同結構噴嘴流場的速度分布和紊動強度分布，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散角最大，這對混合腔內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，并且在混合腔內射流速度下降較快；由圖4可知，錐形噴嘴混合腔內紊動強度最高，錐柱形噴嘴混合腔內紊動強度范圍最廣，這有利于磨料在混合腔內的充分混合和加速。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生的真空負壓，并通過卷吸作用使磨料粒子在混合腔內與高壓水束混合，因此在混合腔內產生的負壓越大，則越有利于磨料的吸入和混合。表2給出了三種不同結構噴嘴高壓射流在混合腔內最大負壓值。其中，錐柱開口形在混合腔產生的最大負壓相對較大，其次是錐柱形噴嘴。對比以上數據和分析結果，本文擬采用綜合性能較優的錐柱形噴嘴，對其進行不同收縮角對射流特性影響的仿真。

表2 不同結構噴嘴混合腔最大負壓

（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構，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度分布，從圖7可以提取如下數據：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 ，射流擴張角逐漸增大，速度場寬度也在增大，射流擴張角越大，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度增加，湍流區域逐漸增加，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最大負壓值。結果顯示，液柱寬度與混合腔負壓變化不大。

圖3 不同結構噴嘴軸線速度曲線

表3 不同收縮角錐柱形噴嘴混合腔最大負壓

圖4 錐柱形寶石噴嘴不同收縮角物理模型

4 結語

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度分布云圖

（1）綜合對比仿真結果，從射流加速性能來看，錐柱形噴嘴具有較優的加速性能和外部射流均勻性；從紊動強度看，錐形噴嘴混合腔內紊動強度最高，錐柱形湍流面積相對較大，這利于磨料在混合腔內的充分混合；從外部射流氣液兩相流體積分數分析，錐形噴嘴混合腔內液柱最窄，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，射流擴張角、速度場寬度、紊動強度和湍流區域都在增加，這些都有利于磨料在混合腔內充分混合加速；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壓以及高壓水的加速性能沒有太大影響。

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TG664

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1671-0711（2017）05（上）-0101-02