陳曉晨　鄧松圣　張滕飛　管金發(fā)

中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院油料系,　重慶　401331

0　前言

磨料水射流作為一種新型加工技術(shù),能夠加工各種金屬和非金屬材料[1]。由于切割過程中存在大量水,因此切割時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較高的溫度,材料切割的熱損傷和熱影響區(qū)域較小[2-4],使得該技術(shù)能夠應(yīng)用于油氣管道泄漏搶修領(lǐng)域[5-7]。

噴嘴作為重要的磨料水射流發(fā)生裝置,其結(jié)構(gòu)和性能直接影響磨料水射流的加工效果。常用的磨料水射流噴嘴分為前混合磨料水射流噴嘴和后混合磨料水射流噴嘴。前混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,內(nèi)部流動(dòng)僅包括固液兩相,流場(chǎng)特性相對(duì)較平穩(wěn)[8],針對(duì)前混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流動(dòng)特性的研究較多[9-11]。而后混合磨料水射流噴嘴的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,內(nèi)部存在固液氣三相混合流場(chǎng),噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)速度差異更大,湍動(dòng)能更復(fù)雜[12-13]。因此,后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性的研究難度較大。目前,對(duì)磨料水射流加工機(jī)理以及其流動(dòng)特性規(guī)律的研究仍不夠徹底[14-15]。

本文以一種新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)的多相流動(dòng)特性為研究對(duì)象,采用數(shù)值模擬方法分析噴嘴內(nèi)部多相流場(chǎng)特性,以及新型后混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)于噴嘴流場(chǎng)特性的影響。

1　噴嘴模型的建立

1.1　物理模型

典型的后混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單[16],高壓水經(jīng)過水噴嘴部件進(jìn)入混合腔,造成混合腔內(nèi)的負(fù)壓效應(yīng),吸入磨料和空氣,混合后形成多相射流。傳統(tǒng)后混合磨料水射流噴嘴見圖1。

圖1　傳統(tǒng)后混合磨料水射流噴嘴

傳統(tǒng)后混合磨料水射流噴嘴只有單個(gè)磨料噴嘴入口,在應(yīng)用時(shí)頻繁出現(xiàn)磨料輸送管堵塞現(xiàn)象。這是因?yàn)樗_關(guān)關(guān)閉時(shí),水從噴嘴內(nèi)涌入到磨料輸送管;另一方面,磨料的單側(cè)涌入不利于磨料和水的均勻混合。

本文研究的新型后混合磨料水射流噴嘴具有4個(gè)環(huán)繞對(duì)稱的磨料入口,結(jié)構(gòu)見圖2。水開關(guān)關(guān)閉時(shí),4個(gè)磨料輸送管路能夠均擔(dān)噴嘴內(nèi)涌出的水,每個(gè)磨料輸送管內(nèi)水的涌入量明顯減少,降低了磨料輸送管擁堵的可能。此外,磨料的供給在空間上更加均勻。

圖2　新型后混合磨料水射流噴嘴

1.2　幾何尺寸及網(wǎng)格劃分

與傳統(tǒng)后混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)類似,新型后混合磨料水射流噴嘴也包括水噴嘴入口、磨料入口、混合腔、收縮段和圓柱段。

新型后混合磨料水射流噴嘴具體幾何尺寸為:水噴嘴入口直徑d1=1 mm,混合腔內(nèi)徑d2=6 mm,噴嘴出口圓柱段直徑d3=3 mm,磨料入口直徑d4=3 mm,水噴嘴長度L1=2 mm,混合腔長度L2=8 mm,收縮段長度L3=10 mm,圓柱段長度L4=70 mm,收縮段收縮角度θ=15°。

由于新型后混合磨料水射流噴嘴的磨料入口具有圓周對(duì)稱性,因此建立二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)噴嘴模型,選取噴嘴對(duì)稱結(jié)構(gòu)的一半作為運(yùn)算區(qū)域,以節(jié)省計(jì)算資源。收縮段復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格的混合劃分方法,其余部分采用結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格生成結(jié)果見圖3。

圖3　網(wǎng)格生成結(jié)果

1.3　邊界條件及假設(shè)

模型涉及固液氣三相混合流動(dòng),數(shù)值模擬對(duì)三相的處理包含連續(xù)相和離散相,即空氣和水作為連續(xù)相采用多相流中的歐拉模型,磨料粒子作為離散相采用離散相模型[17]。計(jì)算時(shí),首先計(jì)算氣液兩相流場(chǎng),然后創(chuàng)建顆粒噴射源與連續(xù)相進(jìn)行單向耦合計(jì)算[18-19]。

水噴嘴入口設(shè)置為速度入口條件,速度1 000 m/s；磨料入口設(shè)置為壓力入口條件,壓力設(shè)為大氣壓；新型后混合磨料水射流噴嘴出口設(shè)置為壓力出口條件,壓力設(shè)為大氣壓；對(duì)稱軸設(shè)置為Axis條件；壁面設(shè)為無滑移條件。

流場(chǎng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,空氣和水采用歐拉多相流模型耦合計(jì)算,求解算法采用相間耦合SIMPLE算法。磨料顆粒采用離散相(DPM)模型,追蹤顆粒軌跡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。離散格式采用二階迎風(fēng)格式,其他參數(shù)默認(rèn)。計(jì)算時(shí)材料屬性設(shè)置:第一相為空氣,密度1.225 kg/m3,黏度1.789 45×10-5Pa·s;第二相為水,密度998.2 kg/m3,黏度0.001 003 Pa·s;磨料顆粒密度4 000 kg/m3。

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1　網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

對(duì)新型后混合磨料水射流噴嘴采取不同網(wǎng)格劃分方案,得到不同疏密程度的網(wǎng)格劃分。以噴嘴收縮段入口軸心處的水壓作為判斷條件,對(duì)比不同網(wǎng)格劃分方案,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量4 780時(shí)可以忽略網(wǎng)格數(shù)量對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的影響。

2.2　壓強(qiáng)分布

混合腔內(nèi)部的壓強(qiáng)分布情況對(duì)磨料的卷吸效率有很大影響,為探究新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部混合腔內(nèi)壓強(qiáng)分布情況,取噴嘴中心軸作為x軸,x軸正向由水噴嘴指向后混合磨料水射流噴嘴出口,取水噴嘴入口軸心位置為原點(diǎn)。分析x=4 mm,x=6 mm和x=8 mm位置處垂直于新型后混合磨料水射流噴嘴中心軸的橫截面上的壓力分布,結(jié)果見圖4。

圖4　混合腔內(nèi)壓強(qiáng)沿徑向分布

由圖4可看出,混合腔內(nèi)部分區(qū)域壓強(qiáng)小于大氣壓,且壓強(qiáng)值處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的水平。這是因?yàn)楦咚偎淞鞅韺哟嬖谖⑿“l(fā)散,對(duì)周圍空氣具有攜帶和卷吸作用,使混合腔內(nèi)的氣壓低于大氣壓。位置越靠近軸心,水射流發(fā)散越弱,水的體積分?jǐn)?shù)越大,壓強(qiáng)高于大氣壓。

對(duì)比分析圖4中3個(gè)不同位置截面的壓強(qiáng)分布可知,水射流自水噴嘴噴出之后,隨著射流距離的增大,射流中心處的壓強(qiáng)不斷減小,射流水束整體剛性降低。射流水束整體剛性的降低,有利于磨料粒子進(jìn)入水束和水進(jìn)行充分摻混。因此,為了使磨料更容易進(jìn)入射流水束并與之混合,應(yīng)盡量將磨料入口設(shè)置在混合腔的末端。

2.3　紊動(dòng)能分布

流場(chǎng)紊動(dòng)能表征了流體的紊動(dòng)程度,新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)紊動(dòng)能的大小可以反映此處速度波動(dòng)的大小,也是衡量能量傳遞和相間混合程度的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,15°收縮角度噴嘴內(nèi)的紊動(dòng)能分布見圖5。

圖5　紊動(dòng)能分布

由圖5可看出,新型后混合磨料水射噴嘴混合腔內(nèi)的紊動(dòng)能集中分布于混合腔內(nèi)水束周圍,在收縮段內(nèi)分布最廣泛,少部分分布在圓柱段靠近收縮段的前端。高速水射流進(jìn)入混合腔,由于空間急劇擴(kuò)大,射流開始發(fā)散,水束邊緣氣液混合及能量傳遞最為劇烈,故有部分紊動(dòng)能分布在射流水束周圍。發(fā)散的水射流進(jìn)入收縮段,空間開始變小,遇到新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)壁的阻擋,與空氣等的能量傳遞和物質(zhì)交換程度增加,速度等物理參數(shù)發(fā)生不規(guī)則變化,容易出現(xiàn)紊動(dòng)現(xiàn)象,故紊動(dòng)能在收縮段分布最廣泛。

2.4　新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)水的分布

新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)水的分布云圖及局部擴(kuò)大圖見圖6。

由圖6可看出,水射流主體部分仍在軸線周圍,與空氣摻混的水的體積占很小部分,混合腔內(nèi)大部分為空氣。由于空氣受水流卷吸進(jìn)入圓柱段,圓柱段內(nèi)空氣與水混合充分,水體積分?jǐn)?shù)降低明顯。為研究圓柱段內(nèi)水體積分?jǐn)?shù)分布,在x=30、50、70、90 mm(出口)處得到水體積分?jǐn)?shù)沿徑向分布圖,見圖7。

2.5　磨料粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

a)噴嘴內(nèi)水的分布云圖

b)分布云圖局部放大圖圖6　水的分布云圖及局部擴(kuò)大圖

圖7　圓柱段內(nèi)水體積分?jǐn)?shù)沿徑向分布

(1)

式中:en為法向反彈系數(shù);et為切向反彈系數(shù);μ為摩擦系數(shù);θ為撞擊角度,°;下標(biāo)1為撞擊值；下標(biāo)2為反彈值;下標(biāo)n為垂直于反彈平面的分量；下標(biāo)t為平行于反彈平面的分量。

在新型后混合磨料水射流噴嘴氣液兩相數(shù)值模擬基礎(chǔ)上,在磨料入口釋放磨料粒子,觀察磨料粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，磨料粒子直徑0.18 mm,密度4 000 kg/m3,初速度0 m/s,磨料粒子數(shù)量30。圖8為磨料入口速度0 m/s時(shí)磨料粒子在噴嘴出口處的運(yùn)動(dòng)軌跡分布,由圖8可知,磨料粒子軌跡線在新型后混合磨料水射流噴嘴出口處隨徑向距離增大分布趨于稠密。

圖8　磨料粒子在新型后混合磨料水射流噴嘴 出口處的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9　新型后混合磨料水射流噴嘴出口截面磨料分布直方圖

將新型后混合磨料水射流噴嘴出口不同位置處的磨料粒子分布數(shù)量用柱狀圖表示,見圖9。由圖9可看出,在新型后混合磨料水射流噴嘴中,磨料粒子在噴嘴出口處分布不均勻,磨料粒子只有少部分進(jìn)入噴嘴中心,大部分磨料粒子發(fā)散分布在噴嘴出口邊緣,不能有效形成均勻濃度分布的磨料水射流。主要原因是高速高壓的水射流具有一定剛性,磨料粒子游離在水束周圍難以進(jìn)入射流中心。

為研究磨料粒子入口速度對(duì)磨料粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,磨料粒子初速度分別設(shè)置為0、2、4、6 m/s,方向垂直于磨料入口進(jìn)入混合腔,觀察不同入口速度情況下磨料的運(yùn)動(dòng)情況，見圖10。

由圖10可看出,磨料粒子進(jìn)入新型后混合磨料水射流噴嘴后向高速運(yùn)動(dòng)水束靠攏,并在接觸到水射流束本體后迅速改變運(yùn)動(dòng)方向,朝圓柱段方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)磨料粒子入口速度設(shè)置為0 m/s時(shí),磨料粒子在磨料入口處由靜止?fàn)顟B(tài)受到混合腔內(nèi)紊動(dòng)和卷吸作用進(jìn)入混合腔。由圖10-a)可看出,磨料粒子受到水流作用進(jìn)入圓柱段,順流性較好,與混合腔內(nèi)壁發(fā)生碰撞摩擦的可能性概率很低。隨著磨料入口速度的增大,磨料接觸水束后發(fā)散更劇烈,在混合腔內(nèi)與噴嘴內(nèi)壁發(fā)生碰撞和摩擦的磨料粒子數(shù)量也增大,同時(shí)也造成混合腔內(nèi)受碰撞摩擦的壁面區(qū)域面積增大?；旌锨粌?nèi)磨料粒子與新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)壁的碰撞主要發(fā)生在收縮段下游及圓柱段上游部分。

a) 0 m/s

b) 2 m/s

c) 4 m/s

d) 6 m/s圖10　不同入口速度磨料粒子在混合腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

3　結(jié)論

本文對(duì)一種新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、紊動(dòng)能場(chǎng)和噴嘴內(nèi)各相的體積分布情況,并討論了磨料粒子在新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性。主要結(jié)論如下:

1)混合腔內(nèi)主要壓強(qiáng)為負(fù)壓,隨射流距離增大,射流水束中心壓強(qiáng)降低,水射流剛性減弱,有利于水和磨料的混合。紊動(dòng)能分布在混合腔內(nèi)水束周圍,在收縮段內(nèi)分布最廣泛,少部分分布在圓柱段靠近收縮段的前端。為增大水和磨料的混合,建議磨料入口盡量靠近收縮段。

2)磨料主要分布在新型后混合磨料水射流噴嘴出口靠近外邊緣部分,傾向于沿管壁分布,而水在新型后混合磨料水射流噴嘴出口處的體積濃度分布則主要集中在靠近軸線部分,傾向于沿軸線分布,磨料和水仍無法均勻混合。

3)新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部,磨料顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)與噴嘴內(nèi)壁接觸發(fā)生碰撞,造成噴嘴磨損。噴嘴磨損嚴(yán)重區(qū)域處于收縮段下游和圓柱段上游。

4)新型后混合磨料水射流噴嘴的多磨料入口結(jié)構(gòu)仍無法解決水和磨料均勻混合的問題。但相比單磨料入口噴嘴,新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)分布更具對(duì)稱性,噴嘴內(nèi)表面的磨損相對(duì)均勻,一定程度上減小了磨料和水的混合不均勻性,也在一定程度上延長了噴嘴使用壽命。