前混合水射流噴嘴流場(chǎng)的數(shù)值模擬

董 星， 劉雨慶， 李金林

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

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前混合水射流噴嘴流場(chǎng)的數(shù)值模擬

董 星， 劉雨慶， 李金林

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

為了獲得前混合水射流噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)的流動(dòng)特性，利用Fluent軟件對(duì)噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)射流特性，數(shù)值模擬中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，液固兩相流動(dòng)采用歐拉模型，分析不同噴丸壓力下水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度的變化規(guī)律以及外流場(chǎng)中不同靶距對(duì)流場(chǎng)軸向速度的影響。結(jié)果表明：在內(nèi)流場(chǎng)，噴嘴出口處流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度隨著噴丸壓力的增加而增大，且同一噴丸壓力條件下水流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)小于彈丸流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)，水流場(chǎng)最大軸向速度大于彈丸流場(chǎng)最大軸向速度；在外流場(chǎng)，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)最大軸向速度隨著靶距的增加而減小。

前混合水射流； 噴嘴； 流場(chǎng)； 數(shù)值模擬

前混合水射流噴丸強(qiáng)化技術(shù)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它的應(yīng)用范圍日益廣泛，目前已應(yīng)用在機(jī)械、水力及石油等眾多領(lǐng)域[1-3]。其基本原理是將前混合水射流攜帶的巨大能量以特定的方式高速噴射到金屬零構(gòu)件表面上，使零構(gòu)件表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性形變，呈現(xiàn)出理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布，以達(dá)到提高零構(gòu)件周期疲勞強(qiáng)度及抗應(yīng)力腐蝕的目的[4]。

噴嘴是前混合水射流噴丸強(qiáng)化系統(tǒng)中將工作介質(zhì)的壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的關(guān)鍵元件，其性能直接影響射流品質(zhì)和噴丸強(qiáng)化質(zhì)量。噴嘴流場(chǎng)始終是水射流工作者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。但由于噴嘴噴出的混合水射流是紊態(tài)的復(fù)雜流動(dòng)，所以理論分析難以求得高精度的解析解，實(shí)驗(yàn)測(cè)量難度較大、成本高，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了有效方法[5-8]。因此，筆者應(yīng)用Fluent軟件對(duì)噴嘴全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究噴丸壓力及靶距對(duì)水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的影響，擬為研究前混合水射流噴丸強(qiáng)化噴嘴流場(chǎng)流動(dòng)特性提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 基本模型及計(jì)算方法

1.1 幾何模型

采用Pro/E軟件建立前混合水射流噴嘴的幾何模型，如圖1所示。模型的總長(zhǎng)度為64.3 mm，噴嘴入口圓柱段長(zhǎng)度為10 mm，入口直徑為7 mm；圓錐收斂段長(zhǎng)度為9.3 mm，收斂角為30°；噴嘴出口圓柱段長(zhǎng)度為5 mm，出口直徑為2 mm，外流場(chǎng)取直徑和長(zhǎng)度均為40 mm的圓柱體。

圖1 幾何模型

1.2 有限元模型

將幾何模型導(dǎo)入Fluent軟件前處理器Gambit中，利用Gambit模塊生成網(wǎng)格。本文采用多元化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，采用Tet/Hybrid(主要由四面體網(wǎng)格構(gòu)成，包含六面體、錐形和楔形網(wǎng)格單元)網(wǎng)格，并對(duì)外流場(chǎng)網(wǎng)格細(xì)分，提高仿真的穩(wěn)定性和收斂性。網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)為1 334 512個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為163 088個(gè)，幾何模型劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.3 數(shù)學(xué)模型

文中研究的前混合水射流噴丸噴嘴中彈丸粒子體積分?jǐn)?shù)大于10%，因此，采用多相流動(dòng)模型中的歐拉模型模擬液固兩相流動(dòng)。

1.3.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)受到物理守恒定律的約束，無(wú)論是定?；蚍嵌ǔＡ鲃?dòng)、層流或湍流都遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，這些守恒定律在流體力學(xué)中分別對(duì)應(yīng)著質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。

(1)質(zhì)量守恒方程

任何流動(dòng)都必須滿足質(zhì)量守恒定律，以質(zhì)量守恒方程體現(xiàn)，它的守恒形式表達(dá)式為

(1)

式中：ρ——密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

u、v、w——速度矢量在x、y、z方向的分量，m/s。

(2)動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒定律也是任何系統(tǒng)都需要滿足的基本定律，按照這一定律，在x、y和z三個(gè)方向的動(dòng)量守恒方程分別為

(2)

(3)

(4)

式中：p ——微元體上的壓力，Pa；

μ——?jiǎng)恿︷ざ龋?/p>

ū——速度矢量，m/s；

Su、Sv、Sw——?jiǎng)恿渴睾惴匠痰膹V義源項(xiàng)。

(3)能量守恒方程

能量守恒定律是包含熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的定律，對(duì)應(yīng)的能量守恒方程為

(5)

式中：cp——比熱容，J/(kg·℃)；

θ ——溫度，℃；

k——流體傳熱系數(shù)；

ST——黏性耗散項(xiàng)。

1.3.2 湍流模型

湍流是一種復(fù)雜的、無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，湍流模型主要包括雷諾應(yīng)力模型和渦粘模型中的零方程模型、一方程模型和兩方程模型。在兩方程模型中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型是目前使用最廣泛的湍流模型，它是在湍動(dòng)能k方程的基礎(chǔ)上，再引入一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)耗散率ε的方程。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中湍動(dòng)黏度μt是k和ε的函數(shù)：

(6)

式中：Cμ——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，k和ε是兩個(gè)基本未知量，其方程為

Gk+Gb-ρε-YM+Sk，

(7)

(8)

式中：Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

Gb——浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

YM——可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的影響；

Sk、Sε——用戶定義的源項(xiàng)；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk、σε——湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

1.4 計(jì)算方法及邊界條件

計(jì)算方法：Fluent計(jì)算求解中選擇三維單精度求解器，采用一階精度迎風(fēng)差分格式，基于液固兩相體積分?jǐn)?shù)的湍流控制方程，壓力速度耦合采用簡(jiǎn)單的相耦合法。亞松弛因子均取默認(rèn)值，收斂判據(jù)為流場(chǎng)迭代的殘差R≤10-3。

邊界條件：噴嘴入口邊界條件為壓力入口，出口邊界條件為壓力出口；其值為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。在固體壁面上速度滿足無(wú)滑移條件，近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。彈丸與水處于湍流流動(dòng)，湍流模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，考慮到液固兩相流體的特點(diǎn)，計(jì)算流場(chǎng)采用歐拉模型。

2 模擬結(jié)果及分析

采用粒徑為0.04 mm的彈丸，分別以4、6、8、10和12 MPa的噴丸壓力進(jìn)行噴丸，研究不同噴丸壓力對(duì)噴嘴出口處流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)和軸向速度的影響。

2.1 噴丸壓力對(duì)水流場(chǎng)的影響

圖3為噴丸壓力8 MPa時(shí)水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)ps分布云圖。由圖3可知，在內(nèi)流場(chǎng)，水流場(chǎng)經(jīng)過(guò)噴嘴圓錐收斂段，水流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)逐漸增加，在噴嘴出口處達(dá)到最大值；進(jìn)入外流場(chǎng)由于截面積發(fā)生突變，受射流卷吸空氣的作用，水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)迅速降低。

圖3 水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖

圖4為噴丸壓力8 MPa時(shí)水流場(chǎng)的軸向速度vs分布云圖。由圖4可知，在內(nèi)流場(chǎng)，水流場(chǎng)在剛進(jìn)入噴嘴入口圓柱段時(shí)，由于橫截面積沒(méi)有發(fā)生變化，水流場(chǎng)軸向速度沒(méi)有明顯增加。經(jīng)過(guò)噴嘴圓錐收斂段時(shí)，由于收斂角的加速作用使水流場(chǎng)的軸向速度逐漸增加。在外流場(chǎng)，由于射流卷吸空氣的作用，水流場(chǎng)軸向速度逐漸減小直到打到靶體表面。

表1給出了噴丸壓力po分別為4、6、8、10和12 MPa所對(duì)應(yīng)的噴嘴出口處水流場(chǎng)的最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)pmax和最大軸向速度vmax。圖5和圖6分別給出了最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度隨噴丸壓力的變化關(guān)系。由圖5和圖6可知，以不同噴丸壓力進(jìn)行噴丸時(shí)，水流場(chǎng)的最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度隨噴丸壓力的增加而訊速增大。

圖4 水流場(chǎng)軸向速度分布云圖

表1 不同噴丸壓力對(duì)應(yīng)的水流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度

Table 1 Maximum axial dynamic pressure and maximum axial velocity under different peening pressure

po/MPapmax/MPavmax/m·s-143.2580.6464.8898.8386.52114.20108.14127.67129.77139.87

圖5 水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨噴丸壓力的變化關(guān)系

Fig. 5 Relationship between axial dynamic pressure changing with peening pressure

圖6 水流場(chǎng)軸向速度隨噴丸壓力的變化關(guān)系

Fig. 6 Relationship between axial velocity changing with peening pressure

2.2 噴丸壓力對(duì)彈丸流場(chǎng)的影響

圖7為噴丸壓力8 MPa時(shí)彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)pd分布云圖。由圖7可知，在內(nèi)流場(chǎng)，彈丸與水混合一起進(jìn)入噴嘴入口，彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)與水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)相同，也是逐漸增加；但彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)在圓錐收斂段增加的速率大于在圓柱段增加的速率。在外流場(chǎng)，彈丸流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)由于受到射流卷吸空氣的作用而逐漸減小。

圖7 彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)分布云圖

圖8為噴丸壓力8 MPa時(shí)彈丸流場(chǎng)軸向速度vd分布云圖。由圖8可知，在內(nèi)流場(chǎng)，彈丸流場(chǎng)在進(jìn)入噴嘴入口圓柱段時(shí)，噴嘴入口邊界條件為壓力入口，水流場(chǎng)還沒(méi)有明顯的速度變化，水流場(chǎng)對(duì)彈丸的加速作用有限。在進(jìn)入噴嘴圓錐收斂段時(shí)，由于水流場(chǎng)的速度增加使得對(duì)彈丸流場(chǎng)的加速作用逐漸增大，彈丸流場(chǎng)的軸向速度逐漸增大，但由于彈丸粒子為固相，慣性大，水流場(chǎng)對(duì)其加速比較緩慢。因此在噴嘴出口處，彈丸粒子的速度小于水流速度。在外流場(chǎng)，同樣由于彈丸粒子的慣性作用，彈丸流場(chǎng)會(huì)有一段過(guò)程速度逐漸減小直到靶體表面，且彈丸速度衰減比水流速度衰減慢。

圖8 彈丸流場(chǎng)軸向速度分布云圖

表2給出了噴丸壓力分別為4、6、8、10和12 MPa所對(duì)應(yīng)的噴嘴出口處彈丸流場(chǎng)的最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)pdmax和最大軸向速度vdmax。圖9給出了彈丸流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨噴丸壓力的變化關(guān)系。由圖9可知，以不同噴丸壓力進(jìn)行噴丸時(shí)，彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨著噴丸壓力的增加逐漸增大。圖10給出了彈丸流場(chǎng)最大軸向速度隨噴丸壓力的變化關(guān)系。由圖10可知，以不同噴丸壓力進(jìn)行噴丸時(shí)，彈丸流場(chǎng)軸向速度隨著噴丸壓力的增加逐漸增大。相同噴丸壓力時(shí)，水流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)小于彈丸流場(chǎng)的軸向動(dòng)壓強(qiáng)；水流場(chǎng)的軸向速度大于彈丸流場(chǎng)的軸向速度。

表2 不同噴丸壓力對(duì)應(yīng)的彈丸流場(chǎng)最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度

Table 2 Maximum axial dynamic pressure and maximum axial velocity under different peening pressure

po/MPapdmax/MPavdmax/m·s-147.4177.04611.0694.10814.71108.501018.33121.111221.90132.48

圖9 彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)隨噴丸壓力變化關(guān)系

Fig. 9 Relationship between axial dynamic pressure changing with peening pressure

圖10 彈丸流場(chǎng)軸向速度隨噴丸壓力的變化關(guān)系

Fig. 10 Relationship between axial velocity changing with peening pressure

2.3 靶距對(duì)外流場(chǎng)的影響

取噴丸壓力8 MPa，彈丸直徑0.04 mm，靶距D分別為0、10、20、30和40 mm進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖11為噴丸壓力8 MPa、靶距在10 mm時(shí)外流場(chǎng)的軸向速度分布云圖。由圖11可知，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的軸向速度分布相似，由于射流卷吸空氣的作用，射流中心處的速度最大，沿截面徑向逐漸減小，射流外圍處軸向速度最小。

a 水流場(chǎng)

b 彈丸流場(chǎng)

表3為不同靶距所對(duì)應(yīng)的外流場(chǎng)最大軸向速度。圖12給出了外流場(chǎng)軸向速度vm隨靶距D變化的關(guān)系。

表3 不同靶距對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)最大軸向速度

Table 3 Maximum axial velocity of flow field under different target distance

D/mmvm/m·s-1水流場(chǎng)彈丸流場(chǎng)0114.20108.501091.3692.222062.8165.093045.6848.824034.2637.97

由圖12可知，同一壓力條件下，隨著靶距的增加，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的最大軸向速度都逐漸減小；由于慣性作用彈丸速度比水速度減小慢，且在靶距為0 mm時(shí)，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的軸向速度最大。

圖12 流場(chǎng)軸向速度隨靶距變化關(guān)系

Fig. 12 Relationship between axial velocity changing with target distance

3 結(jié) 論

(1)噴嘴水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的最大軸向動(dòng)壓強(qiáng)和最大軸向速度隨著噴丸壓力的增加而增大。在內(nèi)流場(chǎng)，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的軸向速度呈軸對(duì)稱分布，且在噴嘴圓錐收斂段速度開(kāi)始增加；在外流場(chǎng)，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的最大軸向速度逐漸減小。在噴丸壓力相同時(shí)，噴嘴出口處的水流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)小于彈丸流場(chǎng)軸向動(dòng)壓強(qiáng)，水流場(chǎng)最大軸向速度大于彈丸流場(chǎng)最大軸向速度。

(2)水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)最大軸向速度隨著靶距的增加而逐漸減小，且流場(chǎng)都逐漸向外擴(kuò)散，對(duì)靶體的作用面積逐漸增大。在靶距過(guò)大時(shí)，流場(chǎng)速度損失嚴(yán)重，對(duì)靶體表面作用面積變小。在靶距為0 mm時(shí)，水流場(chǎng)和彈丸流場(chǎng)的軸向速度最大。

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(編校 李德根)

Numerical simulation of nozzle flow field of premixed water jet

DongXing，LiuYuqing，LiJinlin

(School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for obtaining the flow characteristics of the inner and outer flow field of the former mixed water jet nozzle, using the Fluent software to perform the numerical simulation the inner and outer flow field of the nozzle. The study building on the characteristics of jet involves the numerical simulation of turbulence model using standardk-εmodel, liquid-solid two-phase flow using the Euler model; an analysis of the variation of maximum axial dynamic pressure and maximum axial velocity in the water and projectile flow field under different shot peening pressure; and an analysis of the influence of different target distance on the axial velocity of the flow field in the external flow field. The results show that along with an increase in shot peening pressure comes an increase in the inner flow field, flow field at the nozzle exit maximum axial dynamic pressure and the maximum axial velocity; and given the same shot peening pressure, water flow field has a smaller maximum axial dynamic pressure than projectile flow maximum axial dynamic pressure and a greater maximum axial velocity than the maximum axial velocity in flow field of projectile; in the outflow field, the increase inthe target distance is followed by a decrease in the maximum axial velocity of the flow field and the velocity of the projectile.

pre-mixed water jet; nozzle; flow field; numerical simulation

2016-08-26

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12531569)

董 星(1964-)，男，河北省灤平人，教授，博士，研究方向：水射流技術(shù)及流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論，E-mail：dongxingwrh@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.018

TP69

2095-7262(2016)05-0558-06

A