基于FLUENT的噴嘴孔型兩相流場(chǎng)模擬分析

羅 靜，曾國(guó)輝a,，李丙乾a,

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

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基于FLUENT的噴嘴孔型兩相流場(chǎng)模擬分析

羅 靜b，曾國(guó)輝a,b，李丙乾a,b

(重慶理工大學(xué) a.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

針對(duì)三種噴嘴孔進(jìn)行了氣固兩相流場(chǎng)數(shù)值模擬，通過定量的結(jié)論來指導(dǎo)噴嘴的選用?；谟?jì)算流體力學(xué)的方法，建立了歐拉-拉格朗日兩相流數(shù)值模型，對(duì)比分析了氣固兩相流場(chǎng)的靜壓，速度的分布以及噴嘴沖蝕磨損的特點(diǎn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：氣體在流線型和文丘里型噴嘴中膨脹比較充分，收縮型噴嘴對(duì)磨料加速性能差，流線型噴嘴性能較好，清理效果佳但不易加工，因此文丘里型噴嘴性價(jià)比最高。噴嘴收縮段的沖蝕磨損嚴(yán)重，根據(jù)該特點(diǎn)采用梯度功能模型設(shè)計(jì)抗磨損強(qiáng)的材料，以提高噴嘴整體的耐用度。

氣動(dòng)噴丸；噴嘴；兩相流場(chǎng)；沖蝕磨損；數(shù)值模擬

0 引言

氣動(dòng)噴丸清理是以適當(dāng)壓力的壓縮空氣為動(dòng)力，使磨料經(jīng)過噴嘴加速后噴射到待處理的工件表面，將工件表面的氧化皮，銹斑，污垢等清除，從而達(dá)到工件表面清理的目的，廣泛地應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)件涂覆涂層的表面預(yù)處理、機(jī)械零件的強(qiáng)化、精飾、蝕刻等領(lǐng)域[1]。噴嘴是氣動(dòng)噴丸系統(tǒng)的核心零件之一，其作用是改變氣固兩相流體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性。合適的噴嘴孔型能使磨料獲得很高的速度，提高清理效率、降低清理成本。因此，當(dāng)噴射壓力一定時(shí)，有必要研究噴嘴的孔型來獲得更好的噴丸清理效果,但是依靠試驗(yàn)測(cè)試的方法很難詳盡的觀察和測(cè)量氣流和彈丸速度和壓力的變化，特別是在噴嘴內(nèi)部，這對(duì)噴嘴的設(shè)計(jì)和優(yōu)化帶來了困難。

文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]采用fluent軟件只對(duì)噴嘴的氣體流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，未對(duì)固相顆粒進(jìn)行模擬分析。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]采用兩相流理論對(duì)氣動(dòng)噴丸噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，但均使用收縮型噴嘴，未對(duì)其他噴嘴孔型進(jìn)行仿真對(duì)比，噴嘴內(nèi)壁沖蝕磨損也未見分析。本文利用CFD模擬軟件對(duì)三種噴嘴孔型進(jìn)行氣固兩相流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析比較了不同噴嘴孔型內(nèi)氣體軸線的靜壓、速度、出口速度分布、磨料的速度及噴嘴內(nèi)壁沖蝕磨損的分布情況，為氣動(dòng)噴丸噴嘴的選用和設(shè)計(jì)優(yōu)化選擇提供參考。

1 基本理論

1.1 基本假設(shè)

(1)空氣為理想氣體，在噴嘴內(nèi)服從絕熱流動(dòng)基本方程；

(2)固相為表面光滑的球形顆粒，材料和密度相同；

(3)顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%～12%，顆粒與顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響均未加以考慮；

(4)只考慮空氣穩(wěn)態(tài)的氣動(dòng)阻力和顆粒的重力，忽略Saffman升力，Magnus力、Basset力等對(duì)顆粒的影響；

(5)固體顆粒在壓力入口截面處均勻分布，并且充滿截面。

1.2 控制方程

壓縮氣體為理想氣體，為絕熱流動(dòng)，湍流基本控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

理想氣體狀態(tài)方程

P=ρfRT

顆粒的運(yùn)動(dòng)方程

其中up為顆粒的速度，ρf為流體的密度，CD是顆粒的阻力系數(shù)，mpg為顆粒的重力。

2 模型的建立

2.1 噴嘴的設(shè)計(jì)

本文建立了三種常用噴嘴的幾何模型，如圖1所示，分別為收縮型、文丘里型、流線型。在仿真中，為了達(dá)到對(duì)比的效果，三種模型設(shè)計(jì)了相同的入口直徑，出口直徑，入口穩(wěn)定段、收縮段、擴(kuò)散段，擴(kuò)散角。為了使氣流在噴嘴中逐漸得到膨脹，在噴嘴段出口處獲得均勻的出口流場(chǎng)[6]，流線型噴嘴的收縮段采用維托辛斯基曲線來設(shè)計(jì)，其公式為：

式中：r0，re分別為入口和喉部半徑，l為收縮段的長(zhǎng)度，x為壁面上任一點(diǎn)至噴嘴入口的軸線距離。三種噴嘴的幾何參數(shù)見表1。

圖1 噴嘴幾何模型

噴嘴幾何尺寸(mm)d1d2l1l2l3a40.012.020.025.055.05.5°

2.2 邊界條件和求解器設(shè)定

在模擬仿真中，氣相為連續(xù)相，固體顆粒為離散相。模擬采用基于密度基求解器，以穩(wěn)態(tài)法求解。氣相控制方程采用standardκ-ε粘性模型，固體顆粒模擬采用DPM模型，氣體為理想氣體，粘度1.7894e-05Pa.s,磨料顆粒為steel，入口速度為1m/s，直徑為0.5mm,密度為8030kg/m3。入口用Pressure-inlet，總壓為0.6MPa,出口用Pressure-out，出口為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，設(shè)置工作壓力為0，減少由于壓力脈動(dòng)引起的誤差。進(jìn)口溫度為300K，壁面為絕熱無滑移邊界,且磨料對(duì)壁面是彈性作用。為了使計(jì)算結(jié)果更精準(zhǔn)，使用了網(wǎng)格自適應(yīng)的方法提高網(wǎng)格質(zhì)量[7]。

2.3 網(wǎng)格的劃分

利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用適用性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量比較理想。壁面網(wǎng)格加密處理，由于噴嘴是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算區(qū)域取噴嘴的一半以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，使用對(duì)稱邊界條件[8]。由于計(jì)算尺寸小，所以采用二維雙精度計(jì)算[9]。所建CFD模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 壓力分布

圖3 三種噴嘴氣體軸線靜壓分布

圖4 三種噴嘴氣體軸線速度分布

圖3、圖4和圖5、圖6分別是噴嘴氣體軸線靜壓力、速度的分布曲線和氣體靜壓力、速度云圖，可知，三種噴嘴的靜壓是逐漸在下降，速度是逐漸上升，在收縮段壓力和速度的梯度比較大，壓力急降的同時(shí)速度劇增，氣體的壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，符合氣體流動(dòng)參數(shù)隨噴嘴截面積變化的規(guī)律[10]。由收縮型噴嘴的曲線分布和云圖可看出，氣體粘性的影響，氣體與管壁產(chǎn)生摩擦，靜壓力在出口段緩慢下降，同時(shí)使得噴嘴出口處的滯止壓力下降，但是入口壓力和出口壓力的比值為高于等熵流動(dòng)情況下的臨界壓力比值為1.89，因此，氣流在噴嘴內(nèi)沒有完全膨脹，使得噴嘴出口靜壓大于環(huán)境壓力[11]。文丘里型和流線型噴嘴，其壓力和速度的變化與收縮型噴壓力和速度的變化的趨勢(shì)是一致的，只是在噴嘴出口段，因文丘里型噴嘴在出口段是漸擴(kuò)型的，可以將氣流加速到超音速，使氣流得到充分加速和膨脹。采用這種類型的噴嘴，有利于磨料的加速，提高清理效率。收縮型噴嘴，由于噴嘴的出口氣流速度最快只能達(dá)到聲速，氣流不能在噴嘴中得到充分的加速和膨脹，不能將氣體的能量充分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

圖5 噴嘴靜壓力云圖

圖6 噴嘴速度云圖

3.2 速度分布

圖7 三種噴嘴磨粒軸線速度分布

圖8 三種噴嘴出口處氣體速度分布

圖7為三種噴嘴出口處的氣體速度分布，通過對(duì)比噴嘴出口處的氣體分布可以得出，流線型的出口速度最均勻，其次是型收縮，均勻度最差的是文丘里型噴嘴。這說明維托辛斯基曲線來設(shè)計(jì)收縮段的型線比較平滑，氣流在噴嘴中逐漸得到膨脹，在出口處湍流程度小，獲得均勻的流場(chǎng)。從圖5上看到，越靠近軸線，速度越大，由于受氣體粘性作用，氣體與壁面發(fā)生摩擦，靠近噴嘴壁面，速度有下降趨勢(shì)。

圖8比較了三種噴嘴對(duì)磨料軸線速度的影響，流線型和文丘里型噴嘴對(duì)磨料的加速趨勢(shì)相似，收縮型加速比較緩慢，流線型噴嘴磨料的出口速度最大，為66.3m/s,相比文丘里型噴嘴61.7m/s加速效果增加約7.4%，相比收縮型54.1m/s加速效果增加約23%。因此，同一工況下，流線型的噴嘴的清理效果更好，但是流線型噴嘴收縮段曲線的加工難度較大，而文丘里型和收縮型噴嘴采用簡(jiǎn)單的斜線代替復(fù)雜的曲線，降低了加工成本，選擇文丘里型作為噴丸清理噴嘴比較經(jīng)濟(jì)合適的。

3.3 沖蝕磨損分布

(a)收縮型噴嘴沖蝕

(b)文丘里型噴嘴沖蝕

(c)流線型噴嘴沖蝕

沖蝕磨損是氣動(dòng)噴丸噴嘴的主要失效形式，攜帶固體磨料的流體與表面接觸作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),其表面材料所發(fā)生的損耗[12]。在相同的噴丸工況條件下對(duì)三種噴嘴進(jìn)行了沖蝕模擬仿真，如圖9為噴嘴沖蝕的情況云圖，收縮型噴嘴內(nèi)壁腐蝕情況最輕，流線型的噴嘴內(nèi)壁腐蝕情況最嚴(yán)重，由圖可知，噴嘴的被沖蝕的情況沿壁面長(zhǎng)度方向的變化不一樣，沖蝕磨損最嚴(yán)重集中在收縮段及喉部附近，噴嘴的穩(wěn)定段和擴(kuò)散段沖蝕磨損不明顯。噴嘴入口穩(wěn)定段和出口擴(kuò)散段由于低角沖蝕，磨料在水平方向的速度較大，屬于微切削沖蝕磨損為其主要沖蝕磨損機(jī)制，而噴嘴的收縮段由于磨料一次或少幾次的沖蝕造成材料的去除，屬于脆性斷裂沖蝕磨損為主的沖蝕機(jī)理。因此，噴嘴是多種沖蝕機(jī)制共存的沖蝕磨損，通過對(duì)比三種噴嘴的沖蝕特點(diǎn)及噴嘴對(duì)不同部位對(duì)沖蝕性能的要求，運(yùn)用梯度功能材料(function gradientmaterial)理論來設(shè)計(jì)，在入口穩(wěn)定段和擴(kuò)散段采用偏高硬度的材料，以抵御微切削磨損，在收縮段采用偏高韌度的材料，抵御磨料高速?zèng)_蝕下使材料表面產(chǎn)生裂紋而剝落[13]。綜合考慮噴嘴材料與沖蝕特點(diǎn)的一致性及制造工藝等因素進(jìn)行抗沖蝕材料的設(shè)計(jì)，這樣不僅能節(jié)約噴嘴的成本，也使得噴嘴各個(gè)部位均具有抗沖蝕磨損的性能，從而提高整個(gè)噴嘴的耐用度。

4 結(jié)論

(1)對(duì)三種噴嘴內(nèi)進(jìn)行氣體流場(chǎng)的模擬仿真，得到同一工況氣體的壓力和速度以及噴嘴出口的速度的分布曲線，對(duì)比發(fā)現(xiàn)流線型和文丘里型噴嘴氣體膨脹更充分，壓能轉(zhuǎn)化效率更高，流線型的氣體出口更均勻。

(2)以噴嘴軸線為射源，比較三種噴嘴對(duì)磨料軸線加速的情況，流線型較其他兩種噴嘴對(duì)磨料加速更快，噴丸清理效果更好，但是收縮段曲線不易加工，成本高，選擇文丘里型噴嘴為最佳。

(3)對(duì)三種噴嘴內(nèi)壁進(jìn)行沖蝕磨損模擬，三種噴嘴的磨損主要集中在收縮段，針對(duì)磨損磨損嚴(yán)重的地方運(yùn)用梯度功能材料理論設(shè)計(jì)，合理使用材料，是收縮段抗沖蝕的合理設(shè)計(jì)提高噴嘴壽命的關(guān)鍵。

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(編輯 李秀敏)

Simulation Analysis of Two-phase Flow Field inside Pass of Nozzle Base on FLUENT

LUO Jingb，ZENG Guo-huia,b，LI Bing-qiana,b

(a. Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology for Automobile Parts, Ministry of Education;b.School of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China)

Numerical simulation of gas-solid two phase flow field is carried out for three nozzles with hole, guiding the selection of nozzle through quantitative conclusions.Based on computational fluid dynamics method making comparison and analysis the static pressure, the distribution of velocity and the characteristics of the nozzle erosion wear of three kinds of nozzle gas-solid two-phase flow field. From that, we find gas expansion in the nozzle of the streamline and venturi type is more fully,Contraction nozzle abrasive acceleration performance is poor,Streamline nozzle perform great and its cleaning effect is better, but is not easy to be processed.So select the type of venturi nozzle is the highest cost-effective.the most serious erosion wear happens at nozzle contraction, according to this characteristic designs more anti-fraying material of using gradient function model,so as to improve the overall durability of nozzle.

pnenmatic shot peening; nozzle; two-phase flow field;erosion wear;numerical simulation

1001-2265(2016)10-0044-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.012

2015-05-23；

2015-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275550)

羅靜(1974—)，女，重慶人，重慶理工大學(xué)教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備，(E-mail)luojing@cqut.edu.cn;通訊作者：曾國(guó)輝(1989—)，男，廣東中山人，重慶理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備，(E-mail)1486289655@qq.com。

TH162;TG506

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