宋岳干，宋丹路，彭家強

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽 621010)

0 前言

高壓水射流是近30年來迅速崛起的一門新技術(shù)，近些年來，水射流技術(shù)得到了長足的發(fā)展，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗、除銹除層、水力切割、工程破碎、噴射注漿、鉆孔開采［1］等領(lǐng)域。水射流技術(shù)之所以得到快速的發(fā)展，是因為它顯示了多方面的優(yōu)勢。此外，與傳統(tǒng)的拋光技術(shù)相比，水射流拋光技術(shù)具有可加工任意曲面形狀、易控制等優(yōu)點，適合于加工各種形狀的非球面工件［2－3］，它是利用高壓水束動能攜帶磨料粒子后的混合液作用于材料表面，通過磨料粒子對工件表面的剪切作用來實現(xiàn)材料去除的目的［4－5］。磨料水噴嘴是磨料水射流拋光加工中關(guān)鍵部件之一，直接影響到表面質(zhì)量、加工精度和加工經(jīng)濟性［6－7］。

鑒于磨料水射流技術(shù)在加工方面獨有的特點，對它進行研究的學者也越來越多，但由于噴嘴內(nèi)部流場極其復雜，尤其是混合的拋光液對表面多余材料去除機制的研究，大部分研究者只停滯在實驗上，實驗結(jié)果大都是在一系列假設(shè)的基礎(chǔ)上取得的。然而，實際的磨料水射流加工過程及噴嘴射出的拋光液都是瞬態(tài)的，其形態(tài)非常復雜，通過解析式計算求解比較困難，即便對其內(nèi)部流場運用實驗方法進行分析，噴嘴內(nèi)部的壓力、磨料與水混合均勻程度及射流速度等參數(shù)的測量也十分艱難，隨著計算流體軟件的不斷更新，進行高速復雜的流體分析已經(jīng)不是難題。

文中通過對磨料水切割噴嘴的優(yōu)化，設(shè)計出適合拋光的噴嘴，運用CFD軟件［8］進行仿真研究磨料水射流拋光噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場分布的影響，進而為優(yōu)化噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)、提高磨料混合均勻程度、延長噴嘴壽命和降低噴嘴成本奠定基礎(chǔ)。

1 噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)及確定原則

在磨料水射流拋光中，噴嘴是整個設(shè)備的核心部分，也是影響拋光后表面質(zhì)量和加工效率的重要部件之一［9］(圖1是高壓磨料水射流切割噴嘴)，噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響噴嘴的壽命及磨料與水的混合效果。磨料水射流噴嘴的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:寶石噴嘴內(nèi)徑、混合腔的尺寸、磨料砂管的收縮段錐角及磨料砂管的內(nèi)徑和長度。

圖1 高壓磨料水射流切割噴嘴

磨料水射流寶石噴嘴的內(nèi)徑尺寸是由泵的流量和增壓發(fā)生器確定的，當然也可以預先設(shè)計出水射流寶石噴嘴的內(nèi)徑，然后反過來確定泵的流量和增壓發(fā)生器。

磨料砂管內(nèi)徑、水射流寶石噴嘴內(nèi)徑和寶石噴嘴到磨料砂管的射流出口之間的距離有著緊密關(guān)系。大量實驗研究表明，磨料砂管內(nèi)徑應(yīng)大于水射流寶石噴嘴內(nèi)徑，原因是:磨料砂管內(nèi)徑過小，將會影響水射流寶石噴嘴對磨料粒子的卷吸能力，還會對磨料砂管內(nèi)部造成嚴重磨損。然而，磨料砂管的內(nèi)徑也不能盲目過大，雖然在一定意義上可以降低砂管的磨損，但是過大的磨料砂管內(nèi)徑可能會使外部空氣進入混合腔內(nèi)部，降低了水射流寶石噴嘴對磨料粒子的卷吸能力。經(jīng)驗表明，磨料砂管內(nèi)徑為水射流寶石噴嘴內(nèi)徑的3～4倍，但必須大于磨料粒徑的3倍以上。磨料砂管長度一般為其內(nèi)徑的15～20倍，其長度的主要作用是促進磨料粒子與高壓水束的進一步混合，進而提高磨料水射流的加工能力，工業(yè)上取磨料砂管長度為 50～80 mm［10］。

混合腔尺寸對磨料水射流拋光質(zhì)量的影響比較明顯，其內(nèi)部空間大小直接影響磨料粒子與高壓水束的混合均勻效果，混合腔的尺寸過大，雖然可以改善高壓水束與磨料粒子的混合效果，但也會增大磨料水射流的阻力，使磨料水射流的動能損失較嚴重，磨料粒子獲得的動能降低，從而會導致磨料水射流加工能力的降低。因此，混合腔的尺寸不宜過大，一般是由寶石噴嘴內(nèi)徑尺寸來確定，一般取混合腔的長度為水射流寶石噴嘴內(nèi)徑的 30～40倍［11］。

影響混合腔內(nèi)部流場分布最關(guān)鍵的參數(shù)為噴嘴收縮段錐角的大小，噴嘴收縮段錐角小，有利于流動，但對磨料粒子與高壓水束的混合不利。噴嘴收縮段錐角大，有利于磨料粒子和高壓水束的混合，但磨料水射流混合拋光液的流動性差，并且對磨料砂管內(nèi)部的磨損增大。工業(yè)上一般選噴嘴收縮段錐角為10°～45°。

2 邊界條件和計算模型的選擇

2.1 邊界條件

(1)入口邊界條件:高壓水入口為速度入口，其速度為vw=316 m/s;磨料入口為速度入口，速度為vp=0.12 m/s;

(2)出口邊界條件:出口邊界設(shè)置為壓力出口，外界大氣壓壓力為101 325 Pa;

(3)壁面邊界條件:壁面選擇無滑移固壁;近壁面區(qū)域運用標準壁面函數(shù)法。

2.2 材料的屬性

水的密度為1 000 kg/m3，其黏度為1.005×10－5Pa·s;磨料使用石榴石磨料粒子，密度為2 300 kg/m3，其黏度為 8×10－4。

2.3 求解模型及參數(shù)設(shè)置

求解器選擇:首先用Gambit軟件對其進行前處理，劃分網(wǎng)格，然后再使用Fluent6.3軟件進行求解計算，對噴嘴內(nèi)部仿真時認為磨料水射流是定常流動，求解器選擇壓力基耦合求解器;湍流模型選擇RNG κ-ε模型。因為液固兩相流的相間存在滑移速度，所以兩相流的計算模型是Mixture模型;壓力速度耦合算法選擇SIMPLE算法，離散格式開始選擇一階迎風，之后選用二階迎風;壓力插值選用PRESTO!格式，其他參數(shù)默認;最后使用高壓水束初始值進行初始化，計算中可對亞松弛因子做適當調(diào)整。

3 幾何建模和網(wǎng)格劃分

根據(jù)對高壓磨料水射流切割噴嘴的研究，以及噴嘴內(nèi)部尺寸的相關(guān)性，建立了對稱雙管供料噴嘴模型，幾何模型見圖2。模型幾何尺寸分別為:高壓水入口是水射流寶石噴嘴內(nèi)徑，孔徑大小為0.75 mm，磨料入口直徑為5 mm，混合腔內(nèi)徑15 mm、長度25 mm，收縮段錐角θ=30°，出口段長度55 mm，磨料射流出口為磨料砂管內(nèi)徑，尺寸為3 mm。

圖2 磨料射流拋光噴嘴幾何模型圖

為了使計算仿真結(jié)果更具有代表性，在進行數(shù)值模擬以前，分別對網(wǎng)格數(shù)量為48 750、220 500和246 750三組進行了研究，目的是為了排除網(wǎng)格數(shù)量對計算仿真結(jié)果的影響。

圖3是三組網(wǎng)格劃分下磨料水射流出口斷面上的磨料粒子速度分布圖，從圖中可以看出，磨料水射流出口斷面上的磨料粒子速度分布基本保持一致，呈拋物線形狀，無法辨別網(wǎng)格質(zhì)量的好壞;圖4為磨料水射流出口斷面的磨料粒子濃度分布圖，通過分析可以得出，網(wǎng)格數(shù)量220 500、246 750的出口斷面磨料粒子濃度分布規(guī)律一致，而網(wǎng)格數(shù)量48 750在出口斷面的磨料粒子濃度分布很明顯有問題，因此，在計算模擬仿真中選擇網(wǎng)格數(shù)量大于22萬。

圖3 出口截面磨料速度分布圖

圖4 出口截面磨料濃度分布圖

4 收縮段錐角對流場的影響

為了研究噴嘴內(nèi)部流場的分布，采用液固兩相流理論，對15°、30°、45°和 60°4種錐角噴嘴進行了研究。

噴嘴4種錐角下磨料水射流拋光內(nèi)部的速度矢量圖如圖5所示，圖5(a)、(b)、(c)及 (d)分別是錐角為 15°、30°、45°和 60°時的速度矢量圖。從圖5可以看出，當高壓水束通過內(nèi)徑為0.75 mm藍寶石噴嘴進入混合腔時，由于壓力差和混合腔內(nèi)部錐角(錐面)的影響，在其內(nèi)部形成了旋渦。

圖5 4種不同錐角下磨料射流噴嘴內(nèi)部速度矢量圖

通過圖5中4種錐角的速度矢量圖的對比，收縮段錐角的變化引起了旋渦強度和分布范圍的改變。隨著錐角從15°到60°增大時，渦通量 (旋渦強度)明顯增強，分布范圍不斷減小，流動性相對減弱。旋渦強度的增強有利于高壓水束與磨料粒子的均勻混合，但對磨料砂管和混合腔的磨損程度加劇;相反，隨著收縮段錐角的減小，旋渦強度逐漸減弱，磨料粒子在混合腔內(nèi)部沿著平行于壁面的方向漂移，因錐角的減小錐面上的速度變得分散和均勻，適宜流動。即:收縮錐角越小，越有利于磨料水射流的流動，但磨料粒子與高壓水束的混合均勻程度差;收縮錐角越大，越有利于磨料粒子與高壓水束的混合均勻，但其流動性差，對磨料砂管和混合腔的磨損比較嚴重。

噴嘴4種收縮段錐角出口處磨料粒子的速度分布如圖6所示。

圖6 4種不同錐角下磨料射流噴嘴出口磨料速度分布圖

從圖中可以看出:磨料水射流出口處磨料粒子速度分布呈拋物線，并且在砂管出口中心區(qū)域處速度最高，在砂管邊緣管壁處速度較低;隨著收縮段錐角的增大，砂管出口中心區(qū)域處磨料粒子的速度也相應(yīng)增加，收縮段錐角θ為15°時與其他3種錐角30°、45°、60°相比，砂管出口的速度分布相差很大，收縮段錐角θ為30°、45°和60°時，速度分布相差較小。

綜上所述，根據(jù)噴嘴內(nèi)部速度矢量圖和砂管出口磨料速度分布圖，當收縮段錐角θ為15°時的流動性最好，但旋渦強度最弱，不利于磨料粒子與高壓水束的混合;當收縮段錐角θ為60°時，旋渦強度最大，有利于磨料粒子與高壓水束的混合，但流動性最差，對磨料砂管與混合腔的磨損較嚴重;當收縮段錐角θ為30°和45°時，混合腔內(nèi)的旋渦強度使其內(nèi)部形成較強的真空度，有利于磨料粒子與高壓水束的均勻混合，噴嘴內(nèi)部流動性相對較好，同時也減小了磨料砂管與混合腔的磨損。

5 結(jié)論

磨料粒子與高壓水束的混合程度直接取決于混合腔旋渦強度，而影響旋渦強度和磨料砂管出口速度分布的因素是收縮段錐角θ的大小。通過對磨料水射流混合腔內(nèi)部不同收縮段錐角的仿真可以得出以下結(jié)論:

(1)收縮段錐角越大，旋渦強度越大，混合腔內(nèi)部形成真空度越大，水射流進入混合腔后的卷吸磨料能力越強，磨料粒子與高壓水束混合更均勻，但是磨料水射流在混合腔內(nèi)的流動性越差，磨料粒子對砂管和混合腔的磨損越嚴重;

(2)收縮段錐角越小，旋渦強度越小，混合腔內(nèi)部形成真空度越小，水射流在混合腔內(nèi)部的卷吸磨料能力越低，磨料粒子與高壓水束混合不充分，但是混合腔內(nèi)部的磨料水射流流動性最好，磨料粒子對砂管和混合腔的磨損越輕。

因此，為了使混合腔內(nèi)部的磨料粒子與高壓水束混合的較充分均勻，又不會對磨料砂管和混合腔造成嚴重磨損，綜合考慮噴嘴內(nèi)部收縮段錐角θ為30°和45°時最佳。

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