新型后混合磨料水射流噴嘴流場(chǎng)均勻性分析

劉國(guó)勇 楊陽(yáng) 徐海洋 朱冬梅

摘? ?要：針對(duì)目前后混合磨料噴嘴流場(chǎng)不均勻性問(wèn)題，利用FLUENT仿真軟件，對(duì)一種新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬. 通過(guò)比較噴嘴內(nèi)部有無(wú)圓錐擋板的內(nèi)部流場(chǎng)，分析圓錐擋板對(duì)流場(chǎng)均勻性的影響. 分析不同參數(shù)圓錐擋板噴嘴的噴射效果，得出新型后混合磨料水射流噴嘴不同參數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)均勻性的影響規(guī)律，來(lái)提高后混合磨料水射流噴嘴中水和磨料混合均勻性. 分析結(jié)果表明：在保證出口仍具有較高速度的情況下，增大縮口直徑，可以降低混合腔空氣壓力，改善液體在腔內(nèi)聚集現(xiàn)象. 在此基礎(chǔ)上，向混合腔中加入二次B樣條曲線形狀的圓錐擋板，當(dāng)磨料入口采用斜入式與噴嘴軸線成45°時(shí)，出口體積分?jǐn)?shù)最接近15%，體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)最小，磨料與水混合均勻性大大提高. 通過(guò)正交試驗(yàn)分析多參數(shù)對(duì)磨料均勻性的影響，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù).

關(guān)鍵詞：磨料水射流;數(shù)值模擬;均勻性;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP69? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis on Uniformity of Flow Field for

the New Post-mixed Abrasive Water Jet Nozzle

LIU Guoyong1?，YANG Yang1，XU Haiyang2，ZHU Dongmei1

（1. School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;

2. Nanjing Branch of Night Vision Technology，Nanjing 211106，China）

Abstract：Aiming at the problem of flow field non-uniformity of the post-mixed abrasive nozzle at present，the FLUENT simulation software is used to calculate the internal flow field of a new type of post-mixed abrasive water jet nozzle. The influence of conical baffle on the uniformity of flow field is analyzed by comparing the internal flow fields with and without conical baffle. By analyzing the spray effect of tapered baffle nozzles with different parameters，the influence rule of different parameter structure of the new-type post-mixed abrasive water jet nozzles on the uniformity of internal flow field is obtained，so as to improve the mixing uniformity of water and abrasive in the post-mixed abrasive water jet nozzles. The results show that air pressure reduces and fluid collection is eliminated in mixing chamber when increasing the diameter of the shrinking outlet on precondition of assuring high outlet velocity. On this basis，the abrasive volume fraction of outlet is nearly 15% with the minimum fluctuation，the abrasive mixing uniformity is greatly improved when a cone baffle structure of quadric B-spline curve is added inside the nozzle and abrasive inlet leans toward axis of the nozzle at the angle of 45°. The effects of multi-parameters on the uniformity of the abrasive were analyzed by orthogonal test to obtain the optimal structural parameters.

Key words：abrasive water jet;numerical simulation;uniformity;orthogonal test

磨料水射流是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型射流，是由各種不同類型的固體磨料與高速射流混合而成的液固兩相介質(zhì)射流. 磨料水射流雖然起步較晚，但發(fā)展速度遠(yuǎn)超其他射流，對(duì)其之研究也一直為高壓水射流研究的前沿和熱點(diǎn)[1]. 大量實(shí)踐證明，在純水射流中加入一定數(shù)量的磨料顆粒能夠提高水射流的切割效果與工作效率[2]. 與純水射流相比，磨料射流將純水射流對(duì)物料的靜壓連續(xù)作用改變?yōu)槟チ狭Ｗ恿鲗?duì)物料的高頻撞擊與沖蝕作用，其作用效果大為改觀. 磨料水射流技術(shù)因具有良好的磨削、穿透、沖蝕和粉碎能力，廣泛應(yīng)用在洗、除銹、切割等領(lǐng)域[3]. 其在除鱗方面也效果明顯，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)酸洗和氫脆等缺陷，沒(méi)有噴砂拋丸過(guò)程中產(chǎn)生的麻點(diǎn)和凹坑，使用過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)藥劑和粉塵污染，是一種高效環(huán)保、無(wú)污染的除鱗方法[4]. 磨料和水可以就地取材，可以循環(huán)使用. 上述優(yōu)點(diǎn)使其成為冷軋工藝中除鱗工序的發(fā)展趨勢(shì).

后混合磨料水射流具有無(wú)熱變形及熱變質(zhì)、作用力小、加工柔性高、無(wú)塵、適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì)，特別適合切割熱敏、壓敏、脆性、超硬等難加工材料[5]. 對(duì)后混合噴嘴的研究成果主要有：Tazibt等利用數(shù)學(xué)方法給出了后混合高壓水射流中磨料顆粒加速過(guò)程的一般模型[6];Junkar等用顯示有限元（FEA）分析了后混合噴嘴結(jié)構(gòu)的單個(gè)磨粒的沖擊角和速度對(duì)材料沖擊變形的影響，且FEA模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果良好一致[7];楊小龍等對(duì)某非對(duì)稱三噴孔噴嘴的噴霧過(guò)程進(jìn)行了網(wǎng)格參數(shù)適用性研究，分析了網(wǎng)格依賴性的來(lái)源，探討了網(wǎng)格形式以及徑向、軸向、周向網(wǎng)格尺寸變化對(duì)噴霧的影響[8];張成光等通過(guò)Fluent對(duì)所提出的新型噴射系統(tǒng)進(jìn)行了流場(chǎng)仿真，研制出磨料混合均勻、能夠?qū)崿F(xiàn)磨料濃度任意調(diào)節(jié)和精確控制的磨料水射流系統(tǒng)[9];金鑫開(kāi)展了后混合式磨料射流破巖實(shí)驗(yàn)，研究了水力參數(shù)變化對(duì)破巖效果即射流能量的影響規(guī)律[10];劉國(guó)勇等通過(guò)Fluent軟件對(duì)磨料側(cè)進(jìn)式、切進(jìn)式和平行多射流式等3種進(jìn)料方式的噴嘴進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)磨料體積分?jǐn)?shù)云圖比較了流場(chǎng)的均勻性[11];陳曉晨等通過(guò)數(shù)值模擬分析了一種新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部多相流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特性[12]. 目前，混合磨料均勻性的研究?jī)?nèi)容較少，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磨料均勻性的影響關(guān)系研究相對(duì)模糊. 本文基于CFD對(duì)一種新型后混合磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)提高混合均勻性的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行多結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提出一種均勻性最優(yōu)的結(jié)構(gòu).

1? ?噴嘴模型建立及控制方程

1.1? ?噴嘴物理模型

以往設(shè)計(jì)的后混合噴嘴結(jié)構(gòu)，出口較小，高壓水在腔體與磨料混合后從出口噴出時(shí)所受阻力大，因此高壓水對(duì)磨料卷吸作用小，且兩者混合效果不均勻. 再加上噴嘴出口過(guò)小，混合物對(duì)噴嘴出口處磨損較大，導(dǎo)致其與前混合結(jié)構(gòu)相比沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì). 現(xiàn)提出一種改進(jìn)的噴嘴物理模型：噴嘴混合腔內(nèi)兩頭加入圓錐結(jié)構(gòu)擋板，同時(shí)加大出口直徑，開(kāi)口處設(shè)計(jì)一定開(kāi)度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

磨料入口到混合腔左邊界的距離為L(zhǎng)1，出口段長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，磨料入口的傾斜角為θ，高壓水入口直徑為d1，磨料入口直徑為d2，混合腔直徑為d3，圓錐擋板最大直徑為d4，收縮段直徑為d5，出口直徑為d6 . 參考前混合噴嘴相關(guān)理論公式及結(jié)構(gòu)[13]，同時(shí)結(jié)合后混合噴嘴特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了噴嘴混合腔的幾何參數(shù)如表1所示.

1.2? ?仿真模型建立及仿真參數(shù)設(shè)置

常見(jiàn)的后混合磨料水射流除鱗噴嘴出口太小，新型后混合結(jié)構(gòu)噴嘴的出口變大并敞開(kāi)一定角度，并在內(nèi)部增設(shè)二次B樣條曲線圓錐擋板，如圖2（a）所示. 利用Gambit前處理軟件創(chuàng)建噴嘴三維模型，中間為圓錐擋板，有限元模型如圖2（b）所示.

對(duì)模型及其邊界條件作如下簡(jiǎn)化假設(shè)和設(shè)置：磨料與水混合的漿液視為連續(xù)相，水為理想不可壓縮流體;入口處磨料分布均勻，磨粒視為理想小球，忽略其相互作用力. 高壓水入口為速度入口，兩側(cè)為磨料與水混合的漿液入口，其中磨料相和水相速度均為20 m/s，磨料的體積分?jǐn)?shù)為0.3;磨料噴嘴出口為壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計(jì)算，壁面采用無(wú)滑移邊界條件. 邊界條件詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14].

考慮到水、空氣和磨料三相之間相互作用的流動(dòng)特點(diǎn)，模擬計(jì)算中采用歐拉模型隱式算法，水設(shè)為基本相，磨料和空氣的黏度相對(duì)水幾乎可以忽略，所以設(shè)為第二相. 選用κ-ε湍流模型，并根據(jù)收斂情況適當(dāng)調(diào)節(jié)亞松弛因子對(duì)離散方程進(jìn)行求解. 磨料水射流沖擊氧化鐵皮時(shí)，后混合噴嘴出口處磨料混合不均勻，泵站工作壓力一般為35 MPa以上;前混合噴嘴出口處磨料混合較均勻，泵站壓力為10 ～ 15 MPa[15]. 新型后混合噴嘴設(shè)計(jì)目標(biāo)是出口磨料混合性良好，所以泵站工作壓力選35 MPa，根據(jù)式（1）計(jì)算高壓水入口速度[16].

式中：P1為泵站工作壓力，MPa;P2為出口大氣壓力，MPa;d1、d2分別是混合腔直徑和縮口直徑，mm;ρ為混合物密度，kg/m3;Cd為流量系數(shù)，它與噴嘴結(jié)構(gòu)有關(guān)，低黏度液體通過(guò)薄壁小孔時(shí)可近似取0.97[17]，考慮噴嘴結(jié)構(gòu)影響時(shí)取0.75[18]. 計(jì)算得到高壓水入口速度為200.2 m/s，磨料與水混合物速度設(shè)為20 m/s，以便之后進(jìn)行分析. 對(duì)模型初始化，整個(gè)區(qū)域充滿空氣，即空氣體積分?jǐn)?shù)為100%，其他參數(shù)默認(rèn).

1.3? ?網(wǎng)格無(wú)關(guān)性證明

數(shù)值模擬精度受網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量及現(xiàn)有資源配置的影響，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量具有重要意義，因此在數(shù)值計(jì)算之前開(kāi)展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性證明. 在無(wú)圓錐擋板、縮口直徑d5為4 mm、出口直徑d6為6 mm的參數(shù)結(jié)構(gòu)下，分別劃分5種不同的網(wǎng)格方案，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，并參考出口速度，選取計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定的網(wǎng)格數(shù). 計(jì)算結(jié)果如表2所示，在網(wǎng)格大于29萬(wàn)時(shí)，出口速度與網(wǎng)格數(shù)最多的方案5偏差逐漸減小，方案3以后偏差在1%以內(nèi). 考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)資源配置，選取方案3進(jìn)行模擬.

2? ?新型噴嘴流場(chǎng)均勻性數(shù)值模擬

2.1? 噴嘴出口段

模型中先不設(shè)置磨料入口以及圓錐擋板，只建立高壓水入口，改變縮口段直徑大小進(jìn)行模擬仿真，找到合理出口參數(shù)，即出口處不對(duì)流體噴出產(chǎn)生較大阻礙，且出口段空氣壓力不能太大，簡(jiǎn)化模型如圖3所示.

仿真時(shí)間相同，設(shè)置在10-3 s數(shù)量級(jí)別，便于觀察高壓水噴射最初時(shí)出口對(duì)水的阻礙作用，噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果如圖4、圖5所示.

圖4（a）（b）（c）（d）分別是模型1、2、3、4對(duì)應(yīng)縮口直徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm結(jié)構(gòu)下噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)磨料體積分?jǐn)?shù)分布云圖. 從圖4（a）中可以看出，縮口段直徑為2 mm時(shí)，水在縮口段聚集，說(shuō)明水受到阻力較大，隨著縮口直徑的增加，阻力變小，水越容易噴出.

圖5（a）（b）（c）（d）分別是模型1、2、3、4對(duì)應(yīng)縮口直徑為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm結(jié)構(gòu)下噴嘴的內(nèi)部流場(chǎng)空氣動(dòng)壓云圖.由圖5可以看出，縮口直徑是2 mm時(shí)，水柱附近空氣壓力較大;隨著縮口直徑的增大，水柱附近空氣壓力逐漸減小，且壓力向出口延伸，這表明水受到來(lái)自縮口段的阻力減小;當(dāng)縮口直徑達(dá)到4 mm時(shí)，水柱附近空氣壓力幾乎可以完全得到釋放. 對(duì)比表4中不同工況下水柱附近空氣最大動(dòng)壓和出口處射流水速度均值，模型1、2、3、4出口速度相差并不大，但模型3的空氣壓強(qiáng)在縮口直徑變化時(shí)下降最多，且由于錐角較大，出口散開(kāi)的水柱比模型4大，射流作用區(qū)域大，將縮口直徑定在4 mm認(rèn)為是較為合理的.

2.2? ?噴嘴混合腔圓錐擋板段

2.2.1? ?圓錐擋板對(duì)均勻性的影響

圓錐段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮磨料與水混合的均勻性，盡可能降低對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)的阻礙. 如圖6所示，圓錐左邊結(jié)構(gòu)直接對(duì)著來(lái)向的高壓水，所以左邊坡度應(yīng)該比右邊更緩一些. 噴嘴混合腔長(zhǎng)度不到20 mm，為了防止圓錐擋板將腔體分割開(kāi)，圓錐擋板作用長(zhǎng)度之和不超過(guò)10 mm，弧線部分為二次B樣條曲線，其方程如式（2）所示.

圖6（c）（a）分別為有、無(wú)圓錐擋板的模型磨料在出口體積分?jǐn)?shù)云圖，圖6（d）（b）分別為有、無(wú)圓錐擋板的模型磨料在出口體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)圖. 從圖6可看出，加入圓錐擋板后噴嘴模型圖（6（c）內(nèi)）部磨料體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)幅度明顯下降，混合程度大大加強(qiáng).

2.2.2? ?圓錐擋板結(jié)構(gòu)

圓錐擋板的樣條曲線形狀對(duì)磨料和水混合的均勻性影響顯著. 取不同比例的圓錐長(zhǎng)度以及不同圓錐最大直徑處直徑進(jìn)行分析，建立4個(gè)模型參數(shù)如表5所示.

圖7（a）（b）分別為上述情況下模型5、6的噴嘴內(nèi)部混合物壓力云圖.由于模型5中圓錐段相比模型6錐角大，對(duì)流場(chǎng)阻礙作用明顯，相應(yīng)混合物壓力更大，為7 × 105 Pa. 而模型6的混合物壓力為4×105 Pa左右. 壓力過(guò)大導(dǎo)致噴嘴磨損過(guò)大，顯然模型5不理想，圓錐擋板錐角應(yīng)該平緩一些較為合適.

圖8（a）（b）（c）分別為模型6、7、8下磨料出口處體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)圖. 由圖8可以看出模型8的磨料在出口處的體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)最小. 剔除磨料在出口的體積分?jǐn)?shù)云圖數(shù)據(jù)中壁面的區(qū)域，將較為密集、集中的點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表6所示數(shù)據(jù)，其中差值百分比是通過(guò)計(jì)算最小體積分?jǐn)?shù)與最大體積分?jǐn)?shù)差值除以平均體積分?jǐn)?shù)得到的.

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，模型8的磨料出口均勻性最佳. 這是因?yàn)槟Ｐ?的圓錐段擋板錐度相比模型6更加平緩，但縮口直徑較大，圓錐擋板不能很好地混合磨料. 模型8的縮口直徑比模型6小，圓錐擋板對(duì)磨料混合作用長(zhǎng)度加大，磨料在出口處的體積分?jǐn)?shù)變化明顯較小，故模型8中的圓錐擋板參數(shù)是最為理想的情況.

2.2.3? ?圓錐擋板最大直徑處與噴嘴前端距離

上面分析了模型8的參數(shù)最為理想，再分析圓錐段最大直徑處距離噴嘴前端的合適距離，在其基礎(chǔ)上設(shè)置3種結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)如表7所示，對(duì)不同參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析.

圖9（a）（b）（c）分別是模型9、10、11對(duì)應(yīng)圓錐擋板最大直徑處距離噴嘴前端10 mm、14 mm、18 mm 的3種結(jié)構(gòu)混合物壓力云圖. 在圓錐擋板前端尖部壓力最大值分別為7.09×106 Pa、4.65×106 Pa、2.53×106 Pa，這說(shuō)明距離高壓水出口越遠(yuǎn)，圓錐擋板前端受到的壓力越小，對(duì)其磨損也越小，因此就壓力方面來(lái)看，模型11最好.

2.3? ?噴嘴磨料入口角度

圖10（a）（b）（c）（d）是磨料入口角度分別為0°、30°、45°、60°時(shí)磨料在出口處體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)圖. 磨料進(jìn)入混合腔的角度從0°變到60°時(shí)，對(duì)出口處磨料體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表8所示.

在Fluent中邊界條件設(shè)定同上，其他仿真參數(shù)同表1，僅改變?nèi)肟诮嵌?，得到的結(jié)果如圖11所示.

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，磨料入口角度為45°時(shí)體積分?jǐn)?shù)差相對(duì)最大體積分?jǐn)?shù)的差值百分比最小，也即磨料體積分?jǐn)?shù)變化最小，噴嘴出口的磨料混合均勻性最好. 磨料出口體積分?jǐn)?shù)一般在15%時(shí)最佳[19]，該工況下的體積分?jǐn)?shù)為14%～15%，接近磨料的最佳體積分?jǐn)?shù).

2.4? ?圓錐擋板支撐結(jié)構(gòu)截面形狀

如圖11所示，在圓錐擋板周圍加4個(gè)圓柱形支撐結(jié)構(gòu)，位置與4個(gè)磨料入口位置相對(duì). 支撐結(jié)構(gòu)的存在會(huì)影響磨料在混合腔中的混合度，所以有必要對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析.

支撐柱的截面形狀若為非圓形，如橢圓形，對(duì)流場(chǎng)也有一定影響. 本文選取截面直徑為1 mm的圓形截面支撐柱與截面長(zhǎng)短軸分別為1 mm和0.4 mm的橢圓形截面支撐柱進(jìn)行仿真比較，得到的結(jié)果如圖12所示.

從圖12可以看出，如果支撐結(jié)構(gòu)截面為橢圓，且長(zhǎng)軸迎著混合物沖擊方向，支撐柱后方混合物速度減小區(qū)域比支撐柱截面為圓形更加小，其對(duì)流體的阻礙作用也就更小.

圖13為支撐結(jié)構(gòu)不同截面形狀的磨料體積分?jǐn)?shù)云圖. 從圖13可以看出，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)較細(xì)時(shí)，截面是圓還是橢圓對(duì)噴嘴出口處的磨料體積分?jǐn)?shù)影響不大，只是圓截面的支撐柱比橢圓截面的支撐柱更易磨損.

圖14為有無(wú)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)出口磨料體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)圖. 由圖14可知，對(duì)加入截面長(zhǎng)短軸分別是1 mm和0.4 mm的橢圓形圓錐擋板支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)，

其噴嘴出口處磨料體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)情況與不加支撐柱時(shí)幾乎沒(méi)有太大變化，也就是說(shuō)，支撐結(jié)構(gòu)對(duì)磨料在出口處的均勻性基本無(wú)影響.

3? ?多參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

上述內(nèi)容主要是對(duì)噴嘴各結(jié)構(gòu)參數(shù)的單參數(shù)影響規(guī)律分析，進(jìn)行多參數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化更能直觀地表現(xiàn)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)磨料均勻性影響的規(guī)律. 正交法是一種廣泛使用的多參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，采用正交試驗(yàn)法可以簡(jiǎn)單計(jì)算各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)圖表形式表現(xiàn)出來(lái)，再通過(guò)方差分析綜合比較，最后確定優(yōu)化參數(shù). 整個(gè)后混合磨料水射流噴嘴優(yōu)化結(jié)構(gòu)主要包括出口段、圓錐擋板和入口段3部分，其中最重要的優(yōu)化參數(shù)是出口段的縮口直徑、圓錐擋板和噴嘴前段的距離和入口段的磨料入口角度. 這里考慮圓錐擋板結(jié)構(gòu)樣條曲線形狀確定后，更換流場(chǎng)環(huán)境對(duì)整體流動(dòng)狀態(tài)影響不大，所以樣條曲線選用單因素優(yōu)化.

影響出口均勻性的3個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)為出口段縮口直徑d5、圓錐擋板和噴嘴前段的距離L2和入口段的磨料入口角度θ，選取3個(gè)水平得到表9.

根據(jù)因素及水平劃分，采用3因素3水平的正交試驗(yàn)矩陣，采用正交表L9（33），考核指標(biāo)為體積分?jǐn)?shù)差相對(duì)平均體積分?jǐn)?shù)的差值百分比，得到相應(yīng)的正交表.

考察3因素3水平的差值百分比影響，所有不同的試驗(yàn)條件共有33個(gè)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，安排9組仿真試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是得到對(duì)差值百分比影響最大的參數(shù)以及各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)差值百分比影響優(yōu)先級(jí)，最后得出最佳參數(shù)組合.

通過(guò)表10觀察正交試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行方差分析得到表11，然后通過(guò)差值百分比的均值繪制直觀分析圖（圖15）. 通過(guò)正交試驗(yàn)和方差分析，各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)（差值百分比）的影響可由方差分析的顯著性得到，即：RA > RC > RB .

根據(jù)正交試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果，試驗(yàn)中的最優(yōu)結(jié)果應(yīng)該是A3B3C2，即縮口直徑為5 mm、圓錐擋板的距離為18 mm、磨料入口角度為45°. 出口最小體積分?jǐn)?shù)為0.143，最大體積分?jǐn)?shù)為0.155，差值百分比為7.7%，體積分?jǐn)?shù)保持在最佳體積分?jǐn)?shù)0.15左右. 最終得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表11所示.

4? ?結(jié)? ?論

采用固、液、氣多相湍流模型對(duì)一種新型后混合磨料水射流噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如下：

1）在無(wú)圓錐擋板的情況下，后混合噴嘴縮口直徑值為4 mm時(shí)，混合腔內(nèi)空氣壓力得到釋放，速度損失最小，出口速度提高，射流散射區(qū)域較大，作用效果改善.

2）與無(wú)圓錐擋板的噴嘴結(jié)構(gòu)相比，加入圓錐擋板結(jié)構(gòu)后出口處磨料與水混合的均勻性和噴射穩(wěn)定性大大提高.

3）在后混合噴嘴內(nèi)部有二次B樣條曲線形狀圓錐擋板結(jié)構(gòu)條件下，該擋板在磨料進(jìn)口側(cè)錐度較小，出口側(cè)錐度應(yīng)較大，以保證減小對(duì)流體的阻礙作用;同時(shí)比較擋板不同位置的工況，結(jié)果表明在距出口側(cè)18 mm擋板前端壓力小，磨料運(yùn)動(dòng)到擋板前端會(huì)產(chǎn)生渦旋，從而加速了磨料與水的混合，在混合腔內(nèi)混合充分. 擋板的支撐結(jié)構(gòu)采用橢圓形截面，長(zhǎng)軸迎著進(jìn)口側(cè)可減小對(duì)流體的阻礙.

4）有圓錐擋板的情況下，磨料入口采用斜入式，分析其不同角度對(duì)均勻性影響，磨料進(jìn)入角度為45°時(shí)體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)較小，混合液體積分?jǐn)?shù)為14%～15%，接近最佳體積分?jǐn)?shù)15%.

5）對(duì)圓錐擋板的支撐結(jié)構(gòu)截面形狀進(jìn)行優(yōu)化，

得知橢圓截面對(duì)流體的阻礙作用更小，磨損更少. 其噴嘴出口磨料均勻性對(duì)比不加支撐柱幾乎沒(méi)有太大變化.

6）對(duì)縮口直徑、圓錐擋板的位置和磨料入口角度進(jìn)行正交試驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出3個(gè)因素對(duì)磨料均勻性影響的優(yōu)先級(jí)，得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù).

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