基于FLUENT的磨料水射流抛光喷嘴的流场仿真

王志阳，王凯

（北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）

基于FLUENT的磨料水射流抛光喷嘴的流场仿真

王志阳，王凯

（北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191）

针对三种典型结构的磨料水射流喷嘴，基于多相流动的VOF模型，利用计算机流体力学的方法对磨料射流系统的高压水射流流场进行两相流的数值模拟，分析对比了三种结构喷嘴流场的速度、压力、紊动强度等参数。结果表明，锥柱形喷嘴具有较优的综合性能，适合作为磨料水射流抛光的宝石喷嘴；在锥柱形结构的基础上，针对三种不同的收缩角进行了数值模拟，结果表明，30度收缩角具有较优的射流特性。

磨料水射流；抛光；数值模拟；喷嘴内流场

磨料水射流(Abrasive Water Jet，简称AWJ)抛光是在高压水射流中混入磨料粒子，高压水作为载体使磨料粒子加速，利用小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛光液柱作用于工件表面，与工件表面发生冲击、碰撞、剪切而去除材料，达到抛光目的。和传统加工技术相比, 它具有加工精度高、无工具磨损、反作用力小、加工柔性高等技术优点。研究表明，在磨料水射流抛光加工过程中，有超过25个加工参数对加工结果有直接影响。磨料水射流喷嘴的结构形状对于高压水射流的形成、磨料粒子的加速、磨料粒子的分布都有至关重要的影响。针对国内目前对磨料水射流喷嘴的研究现状，本文通过FLUENT软件对后混合磨料水射流喷嘴内部流场进行模拟仿真，从而使磨料粒子在混合腔内充分混合，提高抛光质量，提升抛光效率等。

1 磨料水射流喷嘴物理模型

磨料水射流喷嘴的物理模型如图1所示。在后混合磨料水射流系统内，水喷嘴实际上是一个收敛型喷嘴，国内主要使用红宝石或蓝宝石喷嘴。本文针对三种典型宝石喷嘴结构进行仿真对比，三种结构如图1所示。表1给出了三种结构喷嘴的基本几何尺寸。

表1 宝石喷嘴几何参数

2 FLUENT仿真模型的建立及流场分析

（1）FLUENT仿真模型的建立。根据三种不同结构喷嘴，考虑到射流外区域为混合腔，建立如图2所示的磨料水射流喷嘴射流几何模型，计算域设置如图2所示，AB为旋转轴，AI为高压水压力入口，DC、CB为空气压力出口，IH、HG、GF、FE、ED等为壁面。仿真采用的参数如下：第一相为空气（密度1.225 ，动力粘度）；第二相为水（密度998，动力粘度））边界条件设置：入口为压力入口，压力为30MPa，压力出口压强101325Pa；考虑重力作用；解算器设置：采用VOF瞬态模型求解，湍流模型采用标准k—ε模型，时间步长设置为。

图1 磨料水射流宝石喷嘴物理模型

图2 磨料水射流喷嘴几何模型

（2）三种结构宝石喷嘴仿真结果分析对比。图3～5给出了三种不同结构喷嘴流场的速度分布和紊动强度分布，图3可以看出，锥形喷嘴和锥柱形喷嘴的加速性能较好，锥柱形喷嘴流场分布更为均匀；锥柱开口形喷嘴射流扩散角最大，这对混合腔内磨料粒子的充分混合有利，但是射流加速性能（轴线速度较低）最差，并且在混合腔内射流速度下降较快；由图4可知，锥形喷嘴混合腔内紊动强度最高，锥柱形喷嘴混合腔内紊动强度范围最广，这有利于磨料在混合腔内的充分混合和加速。对于后混合方式来说，磨料的吸入主要靠高速射流在卷吸作用下产生的真空负压，并通过卷吸作用使磨料粒子在混合腔内与高压水束混合，因此在混合腔内产生的负压越大，则越有利于磨料的吸入和混合。表2给出了三种不同结构喷嘴高压射流在混合腔内最大负压值。其中，锥柱开口形在混合腔产生的最大负压相对较大，其次是锥柱形喷嘴。对比以上数据和分析结果，本文拟采用综合性能较优的锥柱形喷嘴，对其进行不同收缩角对射流特性影响的仿真。

表2 不同结构喷嘴混合腔最大负压

（3）锥柱形宝石喷嘴不同收缩角对射流特性的影响。 基于锥柱形喷嘴的结构，分析不同收缩角对于射流特性的影响，本文选取了20°、30°和40°三种收缩角进行分析。图5～6给出了三种不同收缩角的喷嘴流场的速度分布和紊动强度分布，从图7可以提取如下数据：收缩角的大小对液体加速性能的影响几乎没有差别，但随着收缩角的增加 ，射流扩张角逐渐增大，速度场宽度也在增大，射流扩张角越大，速度场宽度越大，则对于磨料的充分混合越有利；随着收缩角增大，混合腔流场的紊动强度增加，湍流区域逐渐增加，液柱宽度增加；收缩角过大，会影响射流动能，因此收缩角不易过大。表3给出了不同收缩角喷嘴高压射流在混合腔内最大负压值。结果显示，液柱宽度与混合腔负压变化不大。

图3 不同结构喷嘴轴线速度曲线

表3 不同收缩角锥柱形喷嘴混合腔最大负压

图4 锥柱形宝石喷嘴不同收缩角物理模型

4 结语

图5 不同收缩角锥柱形喷嘴速度云图

图6 不同收缩角锥柱形喷嘴紊动强度分布云图

（1）综合对比仿真结果，从射流加速性能来看，锥柱形喷嘴具有较优的加速性能和外部射流均匀性；从紊动强度看，锥形喷嘴混合腔内紊动强度最高，锥柱形湍流面积相对较大，这利于磨料在混合腔内的充分混合；从外部射流气液两相流体积分数分析，锥形喷嘴混合腔内液柱最窄，锥柱开口型最宽。对于磨料射流抛光的高压宝石喷嘴，锥柱形喷嘴具有较优的综合性能，其次是锥柱开口形。（2）随着喷嘴收缩角的增大，射流扩张角、速度场宽度、紊动强度和湍流区域都在增加，这些都有利于磨料在混合腔内充分混合加速；但收缩角越大，射流动能越低，因此宝石喷嘴的收缩角不宜过大。（3）喷嘴收缩角对于混合腔的最大负压以及高压水的加速性能没有太大影响。

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1671-0711（2017）05（上）-0101-02