高壓磨料射流中流體因素的影響研究

李震，狄文婷

(內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010)

0 前言

高壓磨料水射流是近幾十年在純水射流加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的加工技術(shù)。它是磨料與高壓、高速流動的水互相混合而形成的液固兩相介質(zhì)射流，它的切削作用主要由磨料來完成，磨料在高壓水的高速沖擊下，速度急劇增加，形成高速磨料射流，并以極高的速度經(jīng)磨料噴嘴沖擊工件，使工件上局部應力場應力高度集中，并快速變化，因而產(chǎn)生沖蝕、剪切，直至材料被切除。由于高壓磨料水射流具有熱影響小、反作用小、切割速度高和切口質(zhì)量高等優(yōu)點目前已被廣泛用于金屬、陶瓷、石材、玻璃和復合材料的切割加工中。

1 磨料水射流的物理及數(shù)學模型

1.1 物理模型的建立

利用FLUENT 軟件研究非淹沒狀態(tài)下，流體的黏度、流量對射流出口速度和切削力的影響。運用Gambit 軟件進行二維建模和網(wǎng)格劃分。物理模型及尺寸如圖1所示。

圖1 錐直型噴嘴物理模型

圖1 中各參數(shù)的取值分別為:入口直徑D=10 mm;出口直徑d=2 mm;收縮段長度L=7 mm;圓柱段長度l=8 mm;收斂角α=arctan5/7。

1.2 數(shù)學模型的建立

計算模型選擇湍流模型中的標準k-ε 方程模型，k、ε 是兩個基本未知量，與之相對應的輸運方程為:

式中:k為湍動能;ε 為湍動耗散率;μt為湍動黏度);Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項;Gb是由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項;YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻;σk、σε分別是與湍動能k和耗散率ε 對應的Prandtl 數(shù);Sk、Sε是用戶定義的源項;Cμ、C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，模型中常數(shù)的取值為:C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2 FLUENT 仿真模型的建立及邊界條件

2.1 噴嘴內(nèi)外部流動仿真模型的建立

圖2 為噴嘴及噴嘴外部流動分析所建立的有限元模型的網(wǎng)格剖分，左側(cè)為前混合式噴嘴的有限元模型，右側(cè)區(qū)域為噴嘴外無限大環(huán)境有限元模型，用來模擬磨料水射流噴射出噴嘴后進入的環(huán)境狀況。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.2 邊界和初始條件

噴嘴入口條件為速度入口，速度值為常數(shù);設(shè)定壁面為無滑移壁面條件;出口邊界條件為壓力出口條件，操作壓力為101 325 Pa。計算兩相流時磨料顆粒為石英砂，其密度為2 660 kg/m3，黏度為1 ×10-5Pa·s。忽略粒子間的相互作用，仿真計算中流場采用歐拉模型。環(huán)境模型的分析條件:該環(huán)境模擬普通大氣環(huán)境，區(qū)域尺寸相對噴嘴口直徑可以近似看做無限大空間區(qū)域，目的在于忽略環(huán)境模型邊界對流體流動的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

模擬入口速度v=500 m/s 兩相流中流體黏度為0.001 003 Pa·s，磨料體積分數(shù)為0.2，迭代次數(shù)為800 次時收斂，噴嘴內(nèi)外的速度場分布如圖所示:射流以初始流速v進入噴嘴，經(jīng)過加速，自噴嘴出射后與周圍靜止流體間形成速度不連續(xù)的見斷面，并形成了錐形的射流主體段。在縱向斷面上，軸線上流速最大，距離軸線越遠流速越小;軸線方向上，隨著射流長度的增加，射流與周圍流體摻雜，產(chǎn)生阻力使流速逐漸減小。

圖3 噴嘴內(nèi)外速度云圖

圖4 噴嘴內(nèi)外速度流線圖

3.1 流體黏度對射流效果的影響

模擬方案:入口速度v=500 m/s，在其他參數(shù)條件不變的情況下，只改變流體的黏度，使其分別為0.001、0.010、1.000、5.000、10.000 Pa·s 時，研究在不同黏度值下射流的速度和切削力變化情況，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 不同黏度的軸心速度變化圖

圖6 不同黏度時的出口界面切削力變化

由仿真可以看出:在噴嘴收斂段內(nèi)，流體黏度對射流速度幾乎沒有影響;進入圓柱混合管內(nèi)，黏度大于1.000 Pa·s 的流體速度明顯增快，黏度越大增速越快，射出時的速度也越高;黏度小于0.010 Pa·s的流體在各個階段的速度變化均不大。但在出射后，黏度大的流體速度衰減快能量損失大，到距離為1.5 噴嘴長度以后切割速度已經(jīng)低于黏度小的流體。流體黏度變化對出口界面上切削力的影響跟出口速度正好相反，隨著黏度的增加，最大切削力一直減小且降幅越來越慢。

3.2 流體的密度對射流效果的影響

模擬方案:初始和邊界條件同上，使流體密度分別為700、1 200、1 800、2 200、2 600 kg/m3，軸心速度變化及出口界面切削力變化如圖7、8所示。

圖7 不同密度時的軸心速度變化

圖8 不同密度時的出口界面切削力變化

由仿真結(jié)果可知，增加流體的密度對速度的最大值幾乎沒有什么影響，但是對提高出射速度、增大切削力效果明顯。流體密度的增加提高了磨料射流的侵蝕性，射流到達靶材表面后，更容易穿透和擴展裂紋。加入某些聚合物提高流體密度后，易在噴嘴壁面形成邊界層，減少與壁面的磨損，形成良好的射流效果。

3.3 流量對射流效果的影響

模擬方案:兩相流條件及初始邊界條件不變，使工作介質(zhì)流量分別為500、1 000、1 500、2 000、2 500 kg/s 時，速度與切削力的對比如圖9、10所示。

圖9 不同流量時軸心速度變化

圖10 不同流量時出口界面切削力變化

由上圖可知，改變工作介質(zhì)的流量使兩相流的入口速度發(fā)生變化。在噴嘴內(nèi)部速度快速增加，流量越大增速越明顯。當流量高于2 000 kg/m3時，出口力上升到150 kN 以上，產(chǎn)生了較好的射流效果。磨料射流的切割效果來自磨料顆粒對靶件的打擊作用，而其加速過程主要依靠周圍流體對它的作用力。因而增加流量會加大在靶件上的沖擊次數(shù)，增加切割深度或切割速度。但同時隨著流量的增加，必定要提高入口壓力，同時增加了對系統(tǒng)的磨損，使操作難度加大。

4 結(jié)論

(1)改變兩相流中流體的性質(zhì)，研究其黏度、密度、流量等方面對射流效果的影響，得到磨料射流中噴嘴內(nèi)外速度分布和切削力的變化情況。

(2)由仿真結(jié)果可知:增加流體的密度對射流速度和切削力的提高效果明顯;而增加其黏度作用正好相反，由于流動阻力加大，使射流的出口速度快速衰減，出口界面切削力下降。另外，工作介質(zhì)流量的改變對入口速度和射流效果也有較大的影響，在工作環(huán)境和設(shè)備允許的情況下，可以適當提高進口流量。

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