高頻脈動氣體射流噴頭仿真設(shè)計

王嘉凱，戴玉堂

(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家工程研究中心，湖北武漢 430070)

0 前言

近年來，微納結(jié)構(gòu)的加工成為國內(nèi)外研究熱點，飛秒激光因具有加工熱影響區(qū)小、加工精度高、加工材料范圍廣、瞬時功率高等特點而被廣泛應(yīng)用于微納加工領(lǐng)域。但是飛秒激光加工技術(shù)效率低下，加工過程中存在燒蝕熔體回落機制，使得加工面型質(zhì)量相對較差，同時加工區(qū)漂浮的等離子體團和燒蝕熔體會阻擋分散激光能量，影響加工深度。

液流與激光復(fù)合加工技術(shù)能夠較好解決上述問題。2016年BAO等[1]采用1 064 nm的納秒激光進行了水射流激光切割實驗，研究發(fā)現(xiàn)：水射流可以有效地將熔融物質(zhì)沖出加工區(qū)；2019年陳雪輝等[2]利用水射流輔助激光加工碳化硅，結(jié)果表明該技術(shù)對所得槽體的深度影響較大且熔渣和重凝層較少，明顯提高了加工質(zhì)量。此外，高頻振動的引入能夠大大提高激光加工的加工效率和表面質(zhì)量，目前利用超聲換能器產(chǎn)生高頻振動，并通過水介質(zhì)將能量傳遞給工件是一種較為常見的手段。利用射流作為波導(dǎo)傳遞振動能量可作為一種新的技術(shù)手段，在切削/磨削加工領(lǐng)域，胡炳群[3]提出了“Megasonic Coolant (MSC)”方法，將兆赫茲頻帶的超聲波振動疊加在加工液上，設(shè)計了超聲射流噴嘴。但液流輔助激光加工仍存在很多問題，比如激光能量在水束中傳導(dǎo)時衰減嚴重，水流難以突破18 μm狹縫屏障對加工深處進行沖洗，液流對加工環(huán)境造成的污染也不可忽視。

在以上研究基礎(chǔ)上，本文作者提出一種高頻脈動氣體射流系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣泵、調(diào)壓閥、電磁閥、高頻開關(guān)電源、射流噴頭、可調(diào)節(jié)支架組成。依據(jù)射流開關(guān)原理，利用Fluent仿真軟件，設(shè)計一種能夠產(chǎn)生高頻脈動空氣射流的噴頭，探究多項結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流開關(guān)轉(zhuǎn)換特性及外部流場的影響，總結(jié)規(guī)律并根據(jù)結(jié)果對噴頭進行優(yōu)化，對后續(xù)的雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的設(shè)計有一定參考意義。

1 雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)原理

射流開關(guān)是一種射流放大器，依據(jù)科恩達效應(yīng)設(shè)計，主射流離開噴嘴后會發(fā)生偏轉(zhuǎn)并逐漸沿著其中一個壁面流動，同時在控制流的作用下，主射流能夠發(fā)生偏轉(zhuǎn)附著到另一側(cè)壁面。在此原理基礎(chǔ)上，射流放大器發(fā)展出了射流振蕩器、射流二極管、射流開關(guān)等結(jié)構(gòu)[6]。

雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)通過調(diào)節(jié)2個控制端口(C1、C2)的質(zhì)量流，實現(xiàn)主射流在2個出口(O1、O2)之間快速切換，該噴頭的工作原理如圖1所示。由于此研究只關(guān)注一個出口，因此將O2流出狀態(tài)定義為開啟狀態(tài)，O1流出狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)切換原理

從控制壓力改變至達到新的穩(wěn)態(tài)為主射流的切換時間，其主要由射流開關(guān)的尺寸結(jié)構(gòu)和控制壓力所決定[6]。射流開關(guān)能夠快速切換射流狀態(tài)，因此可以用作脈動射流噴頭。主射流進入環(huán)境空氣的過程可以等效為一個聲學(xué)點質(zhì)量源，該聲源在時間t處的壓力可表示為

(1)

依據(jù)以上原理，文中設(shè)計的高頻脈動氣體射流裝置如圖2所示。

圖2 高頻脈動氣體射流裝置

2 基本結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬

2.1 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

射流噴頭由底板和蓋板兩部分組成，底板上設(shè)置流道結(jié)構(gòu)。流道的主要結(jié)構(gòu)包括主流道、控制流道、輸出流道、主流噴嘴、分流劈等，如圖3所示。

圖3 噴頭基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)主要作用為控制流體流向，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計原則上更偏重于主射流附壁的穩(wěn)定性以及減少能量損失。將該結(jié)構(gòu)引入飛秒激光輔助加工系統(tǒng)，在設(shè)計時需要滿足的條件有所變化：射流噴頭要能夠產(chǎn)生高速、集中、均勻的外部流場，同時射流需要攜帶盡可能高頻高振幅的振動。因此激光加工用高頻脈動射流開關(guān)的設(shè)計與優(yōu)化原則為改善射流結(jié)構(gòu)、增大沖擊性、縮短切換時間。

基于以上條件，將射流開關(guān)的結(jié)構(gòu)進行初步設(shè)計：出口寬度需要與流道深度一致以保證外部流場的均勻集中；將下輸出流道向外彎折，使其出口與上輸出流道出口呈垂直狀態(tài)，以保證射流噴頭產(chǎn)生的流場和振幅不受干擾。因此在設(shè)計各結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸時，需要以上出口寬度D作為設(shè)計基準尺寸，綜合考慮實驗條件和噴頭加工條件，將出口寬度D初步設(shè)定為1 mm，流道深度為1 mm。

2.2 數(shù)值模擬

對流場進行三維仿真，使用ANSYS 15.0對模型進行網(wǎng)格劃分如圖4所示。此研究基于可壓縮超聲速雷諾平均Navier-Stokes(RANS)模型[15]，使用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件Fluent建立計算模型并求解。取流體材料為20 ℃的空氣。在選取湍流模型時考慮了κ-ε模型和SSTκ-ω模型。κ-ω帶有壁函數(shù)，不需要阻尼函數(shù)，能夠處理存在逆壓梯度的流動，能更精確處理近壁區(qū)域[16]；而SSTκ-ω模型合并了κ-ε和κ-ω2種模式，這使得SSTκ-ω模型比標準κ-ω模型在廣泛的流動領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。此研究最終選取了SSTκ-ω模型。

圖4 網(wǎng)格劃分剖面圖

雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)最小切換流量約為主流量的30%，因此控制入口邊界條件常設(shè)置為速度入口或質(zhì)量流入口。但結(jié)合此研究實際情況，入口邊界全部設(shè)為壓力入口，入口S與C2設(shè)置恒定壓力分別為0.3、0.2 MPa，使用UDF文件控制C1壓力在零與0.26 MPa之間切換，出口邊界為壓力出口，表壓力為零，目的在于為后續(xù)的實驗提供更精確的參考。對模型進行瞬態(tài)仿真求解，時間步長取1×10-5s。

基于噴頭內(nèi)部流場切換時間和外部流場狀態(tài)對噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計進行規(guī)律探索。描述切換時間的方法目前主要有2種：(1)將輸出流道的壓力變化作為切換時間標準；(2)將流道外壁再循環(huán)氣泡處局部剪應(yīng)力變化作為切換時間標準。由于此研究所設(shè)計噴嘴用于產(chǎn)生高頻振動，基于壓力的評判標準顯然是最合適的選擇，因此選取流道內(nèi)距離上出口10 mm處的點作為探針，研究該點處在切換過程中的壓力變化。另外，對外部流場的狀態(tài)描述主要從出口速度方面進行評估。

3 仿真與結(jié)果分析

采用正交試驗法對側(cè)壁傾角、控制流道、分流劈、主流道和主流噴嘴相關(guān)參數(shù)進行仿真設(shè)計，表1表述了此研究中采用的各項參數(shù)。其中，基準值為側(cè)壁傾角12°，控制流道寬度劈距0.5 mm，主流噴嘴寬度8 mm，主流道寬度0.8 mm。

表1 仿真參數(shù)變化

3.1 開關(guān)轉(zhuǎn)換行為

采用各參數(shù)的基準值，探究了射流的轉(zhuǎn)換行為。從圖5可以看到附壁射流切換的全過程，由于科恩達效應(yīng)，射流沿其中一個壁穩(wěn)定流動，分流劈處存在一個較大的漩渦能夠幫助穩(wěn)定射流狀態(tài)(t=0.00 ms)；當(dāng)從下方施加控制流時，主射流脫離穩(wěn)定狀態(tài)，靠近控制流道出口處的主射流從壁上分離，同時在分離處形成一個漩渦，稱作再循環(huán)氣泡(t=0.05 ms)；隨時間推移，再循環(huán)氣泡持續(xù)增大，同時主射流在接觸到另一側(cè)壁后由于科恩達效應(yīng)會逐漸吸附(t=0.10 ms)；最后主射流完全吸附于另一側(cè)壁，分流劈處重新形成穩(wěn)定漩渦(t=0.40 ms)。

圖5 射流切換過程

3.2 切換時間

首先研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流切換時間的影響，結(jié)果顯示控制流道寬度與劈距對切換時間的影響最為明顯?？刂屏鞯缹挾仍黾?，壓力邊界條件下表示控制流量增加，切換時間縮短(圖6(a))。探究控制流道寬度影響的同時，也探究了控制流道入射角度的影響。設(shè)置控制流道與輸出流道呈90°作為基準參數(shù)，記作流道角度2；另設(shè)置兩流道夾角為78°(即控制流道與主流道垂直)作為對照參數(shù)，記作流道角度1，由仿真結(jié)果看出在控制流道寬度大于0.5 mm以后，流道角度對切換時間幾乎沒有影響。劈距對切換時間的影響較大，H>8 mm時切換時間顯著增大(圖6(b))，分析其原因為劈距過大時，結(jié)構(gòu)腔體增大，內(nèi)部流動情況變得更加復(fù)雜，分流劈處渦流消散過程更久且重新形成穩(wěn)定渦流的時間也更長，導(dǎo)致切換時間變長(圖7)。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對切換時間的影響

圖7 切換過程對比

3.3 壓力振幅

圖8展示了輸出壓力探針得到的壓力變化結(jié)果，可以看到：在關(guān)閉或開啟時刻到壓力重新穩(wěn)定過程中，壓力會出現(xiàn)震蕩，且分別存在一個明顯的壓力振動峰值。因此推斷，雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)結(jié)構(gòu)除了由高頻啟閉產(chǎn)生壓力沖擊外，在開啟和關(guān)閉的切換過程中，射流能夠產(chǎn)生更高頻率的壓力振動。因此研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力振動峰值的影響，結(jié)果顯示側(cè)壁傾角和主流噴嘴寬度是影響振幅的主要因素。

圖8 輸出壓力變化

隨著側(cè)壁傾角增大，壓力峰值在降低，但對開啟壓力峰值的影響比較小，關(guān)閉壓力峰值隨傾角增大會明顯降低(圖9(a))；主流噴嘴寬度增大時，腔體內(nèi)部靜壓增大，振動減弱，開啟和關(guān)閉的壓力峰值所受影響基本相同(圖9(b))。分析傾角對壓力峰值影響的具體原因在于，傾角增大導(dǎo)致內(nèi)部腔體增大，內(nèi)部壓力梯度減小，振動減弱(圖10)。

圖9 結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓力峰值的影響

圖10 內(nèi)部靜壓

3.4 外部流場

最后對該結(jié)構(gòu)的外部流場進行分析，在設(shè)置基準參數(shù)的情況下，噴嘴出口處的流場流速橫截面如圖11(a)所示，能夠看到流速在出口處比較均勻，最大速度集中在截面中心，且能達到530 m/s。圖11(b)展示了射流離開噴嘴5 mm后的截面形貌，附壁結(jié)構(gòu)要求流道需為方形，通過仿真發(fā)現(xiàn)方形噴口依然能夠發(fā)展出標準的圓柱射流。

圖11 出口流場流速

此外，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對出口5 mm處的射流速度的影響，發(fā)現(xiàn)主流道寬度和控制流道寬度及角度是影響出口速度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果顯示，主流道寬度與出口速度顯示出線性正相關(guān)的關(guān)系(圖12(a))，壓力邊界條件不變的情況下，主流道寬度增加引起主射流流量的增加，直接影響著射流速度?？刂屏鞯琅c輸出流道垂直時，由于控制流量與主流量夾角較小，能量損失較小，出口速度較高；控制流道寬度增加，出口速度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(圖12(b))。圖13展示了不同寬度控制流道內(nèi)的流線：在B<0.7 mm時，控制流道寬度增加使得主射流流量增加，出口速度增大；當(dāng)B>0.7 mm后，流道內(nèi)逐漸形成較大渦流，一部分主射流被吸入控制流道造成能量消耗，導(dǎo)致其速度減慢。

圖12 結(jié)構(gòu)參數(shù)對出口速度的影響

圖13 控制流道流線

4 結(jié)論

文中設(shè)計一種基于雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的飛秒激光輔助加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氣體射流的吹散作用與高頻振動的沖擊作用相耦合以改善加工形貌及提高加工深度。運用CFD方法，探究了雙穩(wěn)態(tài)射流噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)換特性及外部流場的影響規(guī)律，仿真結(jié)果表明：控制流道寬度與劈距對切換時間的影響最為明顯，側(cè)壁傾角和主流噴嘴寬度是影響振幅的主要因素，主流道寬度和控制流道寬度及角度是影響出口速度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。此研究對雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的設(shè)計與應(yīng)用具有一定參考意義。