磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁祥青

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫機(jī)電分院，江蘇 無(wú)錫 214028)

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磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

丁祥青

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫機(jī)電分院，江蘇 無(wú)錫 214028)

為優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高射流加工能力，文章首先從噴嘴的各主要參數(shù)入手，設(shè)計(jì)出幾種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，并建立各自的物理模型，然后分別對(duì)各噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，找到最佳的噴嘴結(jié)構(gòu)。研究表明：進(jìn)出口比越大，射流出口速度越大，顆粒相速度也越大；磨料入口角度對(duì)磨料顆粒速度也有一定影響。

磨料水射流；噴嘴；流場(chǎng)；顆粒相

0 引言

由于磨料水射流(Abrasive Waterjet，AWJ)獨(dú)有的冷加工特性，讓其成為了最近四十年來(lái)發(fā)展最為迅速的一門特種加工技術(shù)，其應(yīng)用越來(lái)越普遍，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械加工、汽車制造、鑄造業(yè)、兵器工業(yè)、電子、建筑業(yè)及造紙業(yè)等行業(yè)[1]。水射流噴嘴是射流機(jī)床加工過(guò)程中的主要部件，其質(zhì)量好壞決定了射流的加工質(zhì)量，因此對(duì)其的影響具有重要的意義[2]。

Quinn W R 等通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)不可壓縮流體流過(guò)不同流線形狀的噴嘴時(shí)的各流場(chǎng)參數(shù)的研究，得出不同的噴嘴流道形狀下水射流的速度衰減不同[3]。Babets K E 等通過(guò)對(duì)噴嘴內(nèi)部的紊流流場(chǎng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)比較得出噴嘴內(nèi)部的流場(chǎng)受到流體的空化和分離的影響[4]。Liu H 等通過(guò)水射流內(nèi)部流場(chǎng)的單相流和多項(xiàng)流的數(shù)值分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出不同的初始條件和邊界條件下的數(shù)據(jù)，分析研究模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出:射流的軸向速度在初始段衰減比較快，在出口截面處磨料的速度呈“帽形”分布；在噴嘴內(nèi)部，不同的磨料的速度衰減相似且分布也相似，但是小磨料相對(duì)于大磨料加速較快[5]。由于增壓設(shè)備壓力有限，通過(guò)增大壓力提高射流及顆粒相速度的辦法越來(lái)越難[6]。因此本文通過(guò)改變噴嘴結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)射流速度及顆粒相速度的增大，提高射流的加工特性，在壓力技術(shù)限制的情況下，大大提高了射流的加工效率。

1 磨料水射流工作原理

如圖1所示為磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[7]?；驹頌閇8]：高壓水通過(guò)水噴嘴1以極高的速度向混合室3噴出，形成高速純水射流，射流在混合室3內(nèi)與空氣介質(zhì)發(fā)生能量的交換，速度開(kāi)始衰減，磨料顆粒從磨料入口2中進(jìn)入混合室，部分進(jìn)入高速水核心區(qū)，部分跟隨擴(kuò)散層射流流動(dòng)，開(kāi)始進(jìn)入3收縮段流體整體開(kāi)始加速，進(jìn)入砂管4進(jìn)一步加速整流后，從出口5噴出。

本文中，主要以磨料水射流噴嘴為研究對(duì)象，噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)射流結(jié)構(gòu)以及切割質(zhì)量都有很大的影響，在建立噴嘴結(jié)構(gòu)模型時(shí)，其參數(shù)的選擇都是參照實(shí)際應(yīng)用以及現(xiàn)有文獻(xiàn)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，故本文中的仿真分析具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1.水噴嘴 2.氣體入口 3.混合室 4. 砂管 5. 噴嘴出口圖1 磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)果分析

通過(guò)理論分析可知，磨料水射流流場(chǎng)存在較大的能量損失[9-10]，前人近似的將磨料顆粒相速度近似的等于流體速度，與實(shí)際情況相差較大。本文通過(guò)對(duì)不同進(jìn)水口與出水口比例的模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分析噴嘴軸線上混合相速度、DPM顆粒相速度及 DPM顆粒相濃度，研究流體對(duì)顆粒相加速情況，分析流體對(duì)顆粒相加速效率。

2.1 進(jìn)口、出口尺寸對(duì)噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)影響

本節(jié)建立四種不同入水出口與出水口比例的磨料水射流噴嘴，進(jìn)水口/出水口尺寸比分比為0.3mm/1.0mm、0.5mm/1.0mm、1.0mm/1.0mm、1.0mm/0.5mm。磨料進(jìn)口與進(jìn)水口角度為90°，磨料顆粒尺寸為0.12mm，水噴嘴長(zhǎng)度為30mm，水口壓力為180MPa。

對(duì)不同模型的噴嘴進(jìn)行流場(chǎng)仿真，利用Fluent軟件后處理軟件繪制噴嘴軸線上流體的速度及DPM顆粒相速度，如圖2～圖5所示。

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM顆粒相速度圖5 1.0mm/0.5mm噴嘴內(nèi)部流體速度和DPM相速度曲線

圖2～圖5分別為不同入水口/出水口尺寸模型內(nèi)軸線處顆粒相的速度和DPM相速度的曲線。從這些曲線圖可以看出，進(jìn)水口與出水口尺寸比越大，出口處混合相速度越大，DPM相速度也越大。其原因是：純水射流入水口和砂管出水口單位時(shí)間內(nèi)流量相同，截面越小，速度就越大。

從不同的混合相速度曲線圖可以看出，流體在混合室內(nèi)有一個(gè)減速過(guò)程，射流進(jìn)入收縮段后速度瞬間上升，在進(jìn)入砂管后開(kāi)始減速，其原因是：砂管內(nèi)壁對(duì)射流流動(dòng)存在一定的摩擦力，隨著砂管長(zhǎng)度增加，沿程能量損失越多，因而速度不斷減小。

從圖上還可以看出DPM相處于一個(gè)不斷加速的過(guò)程，其原因是：開(kāi)始階段磨料顆粒速度很小，DPM相與流體相速度存在一個(gè)速度差，液相速度在大于DPM相之前一直保持對(duì)其的加速作用，因此DPM相速度呈增大趨勢(shì)。根據(jù)仿真結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律，適當(dāng)提高入水口和出水口的尺寸比有利于增加磨料的速度，提高磨料水射流的切割能力。

圖6為不同進(jìn)水/出水口尺寸比例下的噴嘴軸線上磨料顆粒的濃度曲線。從仿真結(jié)果可以看出同樣的進(jìn)口壓力參數(shù)下，進(jìn)水口和出水口尺寸比例越大，噴嘴軸線上磨料顆粒濃度越大，說(shuō)明這種參數(shù)下的噴嘴對(duì)磨料的集束性越強(qiáng)；軸線上磨料顆粒的多少?zèng)Q定了切割能力的大小，因此增大噴嘴進(jìn)水口/出水口比例有利于提高射流的沖擊能力。

圖6 不同模型噴嘴內(nèi)軸線上磨料的濃度

2.2 磨料入口角度對(duì)噴嘴流場(chǎng)的影響

選擇高壓水入口尺寸為1.0mm，混合相出口為0.5mm的進(jìn)出口比例的噴嘴，分別設(shè)定磨料入口角度為45°、60°、90°，建立噴嘴三維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行仿真分析。分析磨料入口的角度對(duì)噴嘴軸線上混合相速度、磨料顆粒速度以及磨料濃度的影響。圖7分別為不同角度的磨料入口模型下磨料顆粒的速度矢量圖和磨料顆粒軌跡。

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM顆粒相速度圖9 90°磨料入口噴嘴模型內(nèi)軸線上混合相速度和DPM相速度曲線

不同的磨料入射角度決定了磨料顆粒進(jìn)入混合室的位置，也決定了顆粒相進(jìn)入流體的位置。從圖9可以看出，不同的磨料入口噴嘴模型內(nèi)流體速度變化不大，表明顆粒相對(duì)流體速度的影響很小。但顆粒相的加速距離受到磨料入射度影響。圖7中，磨料進(jìn)口為45°時(shí)，顆粒相開(kāi)始加速的位置靠近混合室底端，此時(shí)射流速度相對(duì)較小，對(duì)顆粒相加速偏弱；角度為90°，顆粒相進(jìn)入射流的位置越靠近混合室頂端，如圖9所示，射流速度大，但加劇了磨料顆粒在混合室內(nèi)的碰撞；圖8所示為磨料入射角為60°，此時(shí)磨料顆粒在混合室中部進(jìn)入射流，軌跡相對(duì)規(guī)則，此時(shí)速度最大。

(a)45°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

(b)60°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

(c)90°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

從圖10不同磨料入口角度噴嘴軸線上磨料顆粒濃度曲線可以發(fā)現(xiàn)，圖10c中90°磨料入射角在混合室軸線上磨料濃度較小，其原因是90°入射的磨料顆粒在混合室內(nèi)軌跡混亂，與混合室內(nèi)壁碰撞劇烈，因此在混合室軸線上濃度較??；圖10b與圖10a相比，圖10b混合室軸線上磨料濃度高，其原因是：顆粒進(jìn)入射流集束性好，沿著射流軸線方向運(yùn)動(dòng)的粒子數(shù)量多。射流軸線上速度可以反映噴嘴內(nèi)固相顆粒的速度，顆粒相速度越大，水射流切割性能越好，因此選用60°磨料入射角有利于提高射流的沖擊性能。

圖11 優(yōu)化前、后噴嘴試驗(yàn)沖孔比較

圖11為優(yōu)化前噴嘴和優(yōu)化后噴嘴沖蝕試驗(yàn)圖。在相同壓力條件及相同沖蝕時(shí)間條件下，對(duì)優(yōu)化后的噴嘴及優(yōu)化前噴嘴進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，優(yōu)化后噴嘴沖深為0.18mm，較優(yōu)化前噴嘴沖深0.12mm增大。

3 結(jié)論

(1) 射流的進(jìn)出口比例嚴(yán)重影響著射流速度，進(jìn)口與出口尺寸比例越大，射流的速度及顆粒相速度越大，軸線上顆粒相濃度越大，射流切割能力越大；

(2) 隨著磨料進(jìn)口角度增大，磨料顆粒加速開(kāi)始位置增高，并且在60°時(shí)射流速度最大，軸線上顆粒相濃度也最大，射流切割能力最佳。

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(編輯 李秀敏)

Abrasive Waterjet Nozzle Structural Design and Optimization

DING Xiang-qing

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi Jiangsu 214028, China)

the nozzle is the executive part of abrasive water jet machine tool, the quality of its structure parameters directly affect the machining quality and efficiency, this paper starts from the main parameters of the nozzle design several different structure of nozzle, and the establishment of their own physical model, respectively, and then the structure of the nozzle flow field analysis, find the best nozzle structure. The research shows that: the greater the import and export ratio, the greater the speed of the jet exit, the larger the particle phase velocity, the abrasive inlet angle has a certain influence on the velocity of the abrasive particles.

abrasive waterjet ; nozzle ; flow field ; abrasive particles

1001-2265(2016)11-0115-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.031

2016-06-03；

2016-07-07

全國(guó)教育信息技術(shù)研究課題(166242983)；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題(2016-R-47905)

丁祥青(1983—)，男，江蘇淮安人，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫機(jī)電分院教師，工程碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)dxiangqing@126.com。

TH122;TG65

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