基于FLUENT對氣動噴砂噴嘴的設計與仿真

武賓賓 黃家永 王瑩

摘? 要：針對氣動噴砂噴嘴砂料發散不均和清理效率不高的問題，基于氣固兩相流顆粒運動理論，應用Fluent軟件對扁形噴嘴進行了仿真，對比分析了方型噴嘴和圓形噴嘴的粒子軌跡和對壁面的沖蝕。分析結果表明：扁形噴嘴由于其內部兩端沒有收縮角，噴射出的砂料會形成一個長方帶區域，在該區域的中軸線上，砂料的密集度和速度最大，越遠離該中軸線，其密集度和速度逐漸降低。而方型噴嘴和圓形噴嘴的最大密集度和力度都集中在噴嘴正對著的圓形和方形區域上。

關鍵詞：Fluent;噴砂;噴嘴;仿真

中圖分類號：TG580.692+4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）22-0081-03

Abstract： Aiming at the problem of uneven sand divergence and low cleaning efficiency of pneumatic sandblasting nozzle， based on the particle motion theory of gas-solid two-phase flow， the flat nozzle is simulated by Fluent software， and the particle trajectory and wall erosion of square nozzle and circular nozzle are compared and analyzed. The analysis results show that the flat nozzle has a long square band due to the lack of shrinkage angle at its inner ends. On the central axis of the area， the density and speed of the sand are the largest， and the farther away from the central axis. Its concentration and speed are gradually decreasing. The maximum concentration and strength of the square and circular nozzles are concentrated on the circular and square areas directly opposite the nozzle.

Keywords： Fluent; sandblasting; nozzle; simulation

引言

噴嘴作為噴砂機砂料加速的重要元件，直接影響了噴砂作業的工作效率。目前，大多數研究是提高噴嘴的工作效率的研究，即提高砂料噴射速度的研究。

文獻[1]使用 Fluent軟件對不同收縮角噴嘴進行了模擬仿真。文獻[2]通過對噴嘴的收縮段不同截面弧形建立氣體流動的數學模型，然后通過有限元軟件分析計算。文獻[3]利用 FLUENT 軟件對噴嘴的收縮段、喉部及擴散段的參數進行了對比分析。文獻[4]利用Fluent有限元分析軟件研究了不同類型的噴嘴內外流場特性，獲得了流場壓力和速度的分布規律。

目前常用的噴嘴有直筒型、文丘里型、方型噴嘴等不同類型的噴嘴對流體特性都會產生較大的影響，這一必然會影響清理效率和基體表面的力學性能。在相同前提下，本文提出了一種新型扁形噴嘴，并借助FLUENT進行仿真。

1 砂料軌跡與碰撞的理論描述

1.1 連續性方程

根據質量守恒定律，流場中任意形狀的一個控制體中流體質量對時間的變化率與流經該控制體表面的凈質量流量在數值上完全相等。

1.2 顆粒軌道模型

Fluent中的離散相模型歐拉-拉格朗日方法，該方法把流體相看做是連續相，從而可以直接納維-斯托克斯方程求解，而離散相則是通過計算流場中大量的粒子或液滴在連續相的作用下的運動得到的。基于歐拉-拉格朗日框架也就意味著離散相顆粒相對比較少，顆粒與顆粒之間的作用力以及顆粒對連續相的反作用力也就忽略不計，在Fluent離散相軌道追蹤中，要求離散相的體積分數要小于10～12%，這樣也就可以忽略顆粒之間的相互作用[5]。

2 創建幾何模型與網格劃分

本扁形噴嘴的內部構造收縮段、喉段和擴張段三段。其詳細尺寸見圖1新型扁形噴嘴。

運用mesh進行網格劃分，采用結構化法，尺寸函數選擇Proximity and Curvature，相關性中心選擇fine，尺寸大小（Sizing）設置入射口單元尺（Element size）寸設置為1mm。網格劃分如圖2所示，其中單元數為870311，節點數為800509。

3 求解過程

3.1 模型的選擇

本文連續相為空氣，設置空氣為理想氣體，開啟能量方程。

選擇標準的k-ε模型，其余默認。

開啟離散相模型，激活離散相與連續相的相互作用按鈕，激活磨蝕/堆積選項。設置離散相材料為鋼丸，設置初射速度為25m/s，設置平均顆粒大小為0.5mm，其余默認。

3.2 邊界條件設置

入口邊界條件：選擇Pressure-inlet，設置壓力為500KPa，湍流強度設置為10%，湍流粘度比為1500，進口總溫為300K。

出口邊界條件：選擇Pressure-outlet，設置壓力大小為0KPa，湍流強度設置為10%，湍流粘度比設置為1500。

對稱面邊界條件：選擇symmetry。