（机械制造及其自动化专业论文）微磨料水射流喷嘴优化研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 娩王稻指删雠：勃蓼 日期：加ii - 上、弓 日期矗勿ff l 于- f 。 ， 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 指导教师签名： 协荔 日期 弋r 伽, 4 j 、 v & 。历t 上歹 名芗 签 者 作 汐 ：| ：妻 切 论耻锄瑚 引日 西华大学硕士学位论文 摘要 喷嘴是微磨料水射流的关键部件。本文利用计算流体力 嘴结构进行多相流的数值模拟，探究其几何参数对其内部流 较好的喷嘴结构。 论文对五种宝石喷嘴进行非稳态、湍流、气液两相的内 设计准则为评判标准，发现指数型宝石喷嘴性能最优，其次 切割性能一样，而平顶型宝石喷嘴综合指标最差。 论文对混合腔和聚焦管内部进行非稳态、湍流、两相流 收敛角q 对磨料出口速度影响不大，但越小，越有利于流动 口处聚集而导致聚焦管磨损和堵塞；当聚焦管直柱段长度为 右时，磨料出口速度最大；聚焦管出口直径越小，磨料出口 径越小，混合腔内部形成的负压越小，不利于磨料的吸入。综合分析，聚焦管出口直径 应以水喷嘴直径3 倍左右为宜。 论文对喷嘴结构的外流场进行自由射流模拟，发现非淹没微磨料水射流存在基本段 和主体段，且射流在基本段存在等速核。 对喷嘴结构的外流场进行冲击射流模拟，分析发现不仅存在基本段和主体段，还存 在壁面流动区。同时，在靶距不同时射流沿轴向速度分布存在相似性。在靶距小于自由 射流等速核长度时，射流沿轴向的速度一直保持出口速度，直至到达壁面时才开始急剧 下降，直至为零。当靶距大于自由射流等速核长度时，射流沿轴向速度保持出口速度， 但在到达壁面之前已经开始缓慢下降，直至为零，同时发现靶距越小，滞止点处压力越 大。因此，切割用靶距设置越小越好。有机玻璃的切割实验证明了外流场冲击射流模拟 结论的正确性。 关键词：微磨料水射流；喷嘴；数值模拟；c f d ；参数优化 o r i f i c eh a st h eb e s tp e r f o r m a n c e f o l l o w e db yc o n es t r a i g h to r i f i c e t h e8 j ca n dc o n eo r i f i c e h a st h es a m ec u t t i n gp e r f o r m a n c e f o rt h ec o m p r e h e n s i v ei n d e x ，f l a t - t y p eo r i f i c ei st h ew o r s t n 圮f l o wf i l e do ft h em a 、jn o z z l e & r es i m u l a t e du n d e ru n - s t e a d y ，t u r b u l e n t , w a t e r 1 i q u i dt w o - p h a s ef l o wc o n d i t i o n s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l l e rt h ec o n t r a c t i o n a n g l ea o ft h ef o c u s i n gt u b ei s ，t h eb e t t e rf l o wf i e l di n s i d ef o c u s i n gt u b e s m a l l e rc o n t r a c t i o n a n g l ea v o i d sa b r a s i v eg a t h e r i n ga tt h ee n t r a n c eo ft h ef o c u s i n gt u b e i no r d e rt oa c h i e v e m a x i m u ms p e e do fa b r a s i v e ，t h el e n g t ho fc y l i n d e rp a r to ff o c u s i n gt u b es h o u l db ei nt h e r a n g eo f3 0t i m e so ft h eo u t l e td i a m e t e r t l l es m a l l e rt h eo u t l e td i a m e t e ro ff o c u s i n gt u b ei s t h eg r e a t e rv e l o c i t yo ft h ea b r a s i v ec a nb eo b t a i n e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h es m a u e rt h eo u t l e t d i a m e t e ro ff o c u s i n gt u b ei s ，t h es m a l l e rn e g a t i v ep r e s s u r ei n s i d et h em i x i n gc h a m b e rw i l lb e c o n s e q u e n t l ya b r a s i v ei n h a l a t i o ni sn o tg o o d o u t l e td i a m e t e ro ff o c u s i n gt u b es h o u l db ei n t h er a n g eo f 3t i m e so f t h ei e w e lo r i f i c o 1 1 l ef l o wf i e l do ff r e ej e to u t s i d et h en o z z l e & r es i m u l a t e d t h e r e & r ec o n t a i n sm a i na n d b a s i cs e g m e n ti nt h en o ns u b m e r g e dm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t a n dt h e r ei sc o n s t a n tc o r ei n t h eb a s i cs e g m e n t 硼1 ef l o wf i e l do fi m p a c ti e to u t s i d et h en o z z l e & r es i m u l a t e d t h e r e & r ec o n t a i n sn o to n l y m a i na n db a s i cs e g m e n ti nt h en o ns u b m e r g e dm i c r oa b r a s i v ew a t e ri e t ，b u ta l s ow a l lf l o w s e g m e n t a tt h es a m et i m e ，t h e r ei ss i m i l a r i t yo ft h ed i s t r i b u t i o no fa x i a lv e l o c i t yi nt h e d i f f e r e n ts t a n do f fd i s t a n c e v c h e nt h es t a n do f fd i s t a n c es m a l l e rt h a nt h el e n g t ho fc o n s t a n t c o r ei nt h ef r e ei e ts i m u l a t i o n , t h ev e l o c i t ya l o n gt h ea x i a lw a sr e m a i n e ds t a n d0 f fu n t i li t r e a c h e st h ew a l l t h e nas h r r pd e c l i n eo c c u r e d , u n t i li ti s w h e nt h es t a n do f fd i s t a n c ei s g r e a t e rt h a nt h ec o n s t a n tc o r ef r e ej e tl e n g t h , t h ea x i a lv e l o c i t ym a i n t a i n s ，b u ti th a sb e g u nt o s l o wd o w nb e f o r er e a c h i n gt h ew a l lu n t i lz e r o i tw a sf o u n dt h a tt h es m a l l e rt h es t a n d0 f f d i s t a n c ei s ，t h eg r e a t e rp r e s s u r ea tt h es t a g n a t i o np o i n tc a nb eo b t a i n e d t h e r e f o r e , as t a n do f f s h o u l db ea ss m a l la sp o s s i b l e p l e x i g l a s sc u t t i n gu s i n gm i c r oa b r a s i v ew a t e rj e ts h o w st h a t t h es i m u l a t i o no fi m p i n g i n gj e tf l o wf i e l di sc o r r e c t i i 西华大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o n m i c r oa b r a s i v ew a t e rj o t ；n o z z l e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c f d ； h i 微磨料水射流喷嘴优化研究 目录 摘要i a b s t r a g t i i l 绪论l 1 1引言1 1 2 微磨料水射流加工技术概述2 1 2 1 微磨料水射流的产生方式3 1 2 2 微磨料水射流的关键技术5 1 3 本课题研究的目的、意义及主要内容7 1 3 1 研究的目的及意义7 1 3 2 主要研究内容8 1 3 3 课题来源9 2 基于c f d 的水射流喷嘴研究1 0 2 1计算流体动力学在a w j 喷嘴中的应用l o 2 2c f d 基本理论1 2 2 2 1 流体力学中的基本概念1 2 2 2 2 流体运动的分类1 4 2 2 3 描述流体运动的方法1 4 2 3 基于c f d 求解步骤1 6 2 4 计算流体力学数值模拟工具1 8 2 4 1g 栅r r 软件1 8 2 4 2f l u e n t 软件。1 8 2 4 3t e c p l o t 软件1 9 2 5 本章小结1 9 3 微磨料水射流水喷嘴分析2 1 3 1 水喷嘴结构设计及其射流性能2 2 3 1 1 水喷嘴结构设计2 2 3 1 。2 喷嘴性能准则。2 5 3 2 水喷嘴流场仿真及几何参数分析2 6 3 2 1 数学模型。2 6 3 2 2 几何建模与参数设置。2 8 西华大学硕士学位论文 3 2 3 仿真结果与分析2 9 3 3 本章小结3 6 4 混合腔和聚焦管内部流场仿真3 8 4 1 磨料速度的确定3 9 4 2 仿真模型和工艺参数的选择。4 0 4 2 1 物理模型及其网格划分4 0 4 2 2 数学模型。4 1 4 2 3 边界条件设置。4 4 4 2 4 仿真参数设置4 5 4 3 仿真结果及分析4 6 4 4 聚焦管参数对流场特性的影响5 1 4 4 1 聚焦管收敛角仅对磨料射流特性的影响5 2 4 4 2 出口段长度对流场的影响5 4 4 4 3 出口直径对流场的影响5 5 4 5 本章小结5 7 5 微磨料水射流外流场仿真与实验研究5 9 5 1 喷嘴结构外流场仿真。5 9 5 1 1 喷嘴结构外流场的自由射流模拟。5 9 5 1 2 喷嘴结构外流场的冲击射流模拟6 2 5 1 3靶距不同时冲击射流模拟6 6 5 2 外流场模拟结果的实验验证7 0 5 2 1 微磨料水射流切割实验的基本条件。7 0 5 2 2 实验结构及分析7 2 5 3 本章小结7 3 6 结论7 5 参考文献7 7 附录a 喷嘴结构内部流场仿真时水流的入口条件。8 0 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果8 1 致 射8 2 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 进入2 0 世纪9 0 年代以来，磨料水射流( a b r a s i v ew a t e rj e t ，a 、w ) 与激光束、电子 束、离子束等切割技术合称为现代工业切割的四大高新技术【l 】。其中，前三者属于热切 割加工，唯有水射流独树一帜，是一种冷切割加工工艺【2 】。因a w j 独特的优势，已被广 泛应用于航空、航天、军工、汽车、建材、石油、化工、煤炭、机械、冶金及医疗等多 个行业。 根据水射流的发展现状，人们把它分为四个阶段t 3 】：1 、在2 0 世纪6 0 年代，对水射 流的研究还处于一个探索阶段，主要是低压采煤挖掘方面的使用。2 、上世纪6 0 , - - 7 0 年 代初，主要研制一些水射流组成部件，包括高压发生装置、增压装置、高压管件以及射 流执行部件等。3 、上世纪7 0 - - , 8 0 年代初，伴随着基础设备的研制成功，相继出现了挖 煤机、清洗机、切割机等。此阶段水射流研究人员主要侧重工业试验和进行简单的工业 应用。4 、上世纪8 0 年代初至今。在这个阶段水射流技术得到了迅猛发展，出现了磨料 射流、空化射流以及自激震荡射流等新型加工工艺。在近几年随着微机电系统的发展， 微磨料水射流、激光水射流等也得到相应发展，人们开发出小型精密水射流设备，满足 了一些行业的特殊加工需要。同时，超高压泵的研制成功，也加速了超高压磨料水射流 技术的发展。 随着产品小型化和微型化的发展趋势，现代制造技术不断向精密微细加工技术的开 发与应用和制造系统的自动化两大方向发展，精密微细加工技术是衡量一个国家制造业 整体水平的重要标志之一【4 】。 在现代机械制造系统中，产品不断向小型化方向发展，在微机电系统迅速发展的刺 激下，亟待需要一种能生产微细零件的加工工艺。在先进制造系统中，近几年来发展很 快的特种加工技术主要包括电火花加工、电化学加工、激光加工、电子束加工、超声加 工、快速成型技术、化学加工、等离子加工、水射流加工等。在这些加工工艺中唯有水 射流是一种冷态加工，其它加工工艺均为热切割加工。因热切割加工会造成加工件的热 损伤，对于一些热敏感的材料更是无法加工，因此其难以实现较好的加工质量【5 】。微磨 料水射流的出现弥补了这一研究领域的空白，使对一些特殊材料的加工成为可能。 微磨料水射流由d m i l l e r 等人在第十届美国水射流国际会议上第一次提出。 微磨料水射流( m i c r oa b r a s i v ew a t e rj e t ，m a w j ) 是指射流束径在1 0 0 微米以下的磨 料水射流【6 】。微磨料水射流加工技术是在传统磨料水射流技术的基础上发展起来的一种 微磨料水射流喷嘴优化研究 全新的微加工技术，是唯一一种“软、冷”切割加工方式，具有无热影响区、切口质量好、 无火花、无污染、能量集中等独特的优点 7 1 。特别适于加工不宜使用激光等热加工技术 切割的硬脆性材料和高反射性材料，能够应用于有许多小几何形状的模具制造及表面加 工，并且已经逐渐成为硬脆性材料精密微细加工的重要基础技术。微磨料水射流设备与 普通磨料水射流设备相比要小得多，水与磨料的消耗量只占普通磨料水射流的l 左右， 且可以加工适用普通磨料水射流加工的一切材料【7 1 。 1 2 微磨料水射流加工技术概述 日本微型加工中心的一份预测报告表明，世界微型加工市场产值在2 0 1 0 年将比 1 9 9 5 年的十亿美元增加9 倍【6 1 。各行各业对微型零件的需要日益增多，对材料的要求也 更加苛刻，因此对新型加工工艺的需要也变得迫不及待。 水射流技术的商业应用已有数十载，但还主要体现在磨料水射流的加工方面，对于 微磨料水射流加工技术的开发还处于探索试验阶段【8 9 】。微磨料水射流加工工艺不仅可以 加工微细零件，而且因它对加工材料无选择性的优点，使它能够加工其它加工方式无法 加工的复合材料以及涂层的微型件，其切缝宽度在5 0 5 0 0 i a n e l 0 - 1 2 】之间。随着加工制造 lm i c r o n lo m i c r o nio o m i c r o n i1 1 3 1 1 1 c u t t i n gb e a md i a m e t e r s 图1 1 激光与磨料水射流直径比较 f i g 1 1c u t t i n gb e a md i a m e t e 璐f o ra b r a s i v ew a t e r j e t sa n dl a s e 塔 2 盛) 西华大学硕士学位论文 业的不断发展，微磨料水射流的相关配套组件也得到快速发展。目前，微磨料水射流的 加工直径已达到微米级，因此，m a w j 将有一个广阔的发展前景。图1 1 是激光加工与 几种水射流加工工艺的比较卧1 3 1 。微细磨料水射流正在向低成本、柔性化、精密化方向 发展，正在成为半导体以及光学器件的首选加工工艺 1 4 - 1 5 】。表1 1 列举了当前各研究者 实验加工的一些加工参裂1 6 1 。 表1 1 微磨料水射流加工技术基本参数表 t a b 1 1b a s i cp a r a m e t e r so fs o m em a w jd e v i c e s 1 2 1 微磨料水射流的产生方式 根据磨料颗粒进入水射流流场的方式，一 般把m a w j 分为三种一引入式、悬浮式、运 载式。三种类型的m w a j 工作原理如图 1 2 - 1 4 所示【1 7 】。 ( 1 ) 引人式。引入式磨料射流的磨料颗 粒主要依靠磨料罐和混合腔之间的压差( 高压 水通过水喷嘴而形成高速射流，并在混合腔内 产生真空) 和其自重的共同作用下进入混合 腔，并与水射流进行紊动扩散和渗混，再引入 图1 2 引入式微磨料水射流原理 f i g 1 2p r i n c i p l eo f p o s t - m i x i n gm a w j 微磨料水射流喷嘴优化研究 聚焦管射出，其原理如图1 2 所示。 传统后混合磨料水射流一般都是引入式，且聚焦管直径是宝石喷嘴的3 倍，目前， 其磨料水射流的聚焦管出口直径大约为1 0 3 “m ，这样加工的切缝宽度肯定要大于这一数 值。同时，引入式磨料水射流中的负压主要是高压水通过水喷嘴流向混合腔而形成的， 这样高压水在流向混合腔的瞬间将会和混合腔中的空气进行紊动扩散和渗混，导致空气 被卷入磨料和水的混合射流中，这样磨料和水的两相流就会变成含有空气的三相流。空 气的混入将严重影响射流的连续性，也将使射流束变粗，增加切缝宽度，直接影响到射 流的加工精度。对于微磨料水射流来说，其聚焦管直径更小，磨料颗粒更细( 容易吸入 空气中的水分) ，这样聚焦管堵塞问题将更容易发生。在此，本文主要研究引入式微磨 料水射流内部流动状态以及流动特性，借助c f d 方法，对其进行数值模拟，为微磨料 水射流喷嘴组件的加工制造提供理论支持。 ( 2 ) 悬浮式。悬浮式m a w j 通过添加剂使磨料在水中成悬浮状态( 浆液磨料) ，浆 液磨料在高压水的带动下，经聚焦管形成两相流进行加工制造。其原理如图1 3 所示。 悬浮式微磨料水射流具有以下特点 1 8 】：( 1 ) 射束直径约等于喷嘴直径，射束直径可达 5 0 , - - - 5 0 0 1 - t m 。( 2 ) 磨料浓度( 质量) 高达7 0 ，因此，能量密度很高。能有效的加速磨料粒 子，其能量密度比引入式磨料水射流高一个数量级。同样条件下，悬浮式微磨料水射流 的能量密度是引入式磨料水射流的4 5 倍。( 3 ) 没有空气进入射束，因此，不会使射束变 粗和影响切割精度。( 4 ) 悬浮式微磨料水射流可以采用比引入式磨料水射流低得多的泵 图1 3 悬浮式微磨料水射流原理 f i g 1 4d e l i v e r ys t y l eo f m a w j 图1 4 运载式微磨料水射流原理图 f i g 1 3p r i n c i p l eo f p r o - m i x i n gm a w j 1 水箱2 一高压水泵3 湿磨料箱4 薄膜泵5 一磨料 l - 浆液磨料池2 磨料泵3 - 清水池4 - 超高压 罐6 高压水阀7 磨料流态化水阀8 浆液磨料释 水5 一高压容器6 - 活塞7 - 单向阀8 - 开关阀 放阀9 磨料补充阀1 0 低压水阀11 冲洗水阀 4 西华大学硕士学位论文 压。7 0 m p a 的压力也许是最佳的运行压力，在这种压力下，所有的接头和管路都是现成 的。( 5 ) 设备尺寸小，噪声大大降低。大量的研究证明，由于浆液磨料要添加高分子添加 剂，而具有长链结构的有机高聚物较难溶于水，因此，这类添加剂使磨料射流的切割能 力削弱，而且，这种削弱随着射流直径的变小而加强。所以，为避免上述问题，需要研 制新型浆液磨料添加剂【1 9 】。 ( 3 ) 运载式。运载式微磨料水射流是将高压水注入切割头( 喷嘴) 的同时，引入部分 高压水至磨料罐，使磨料流态化并进入主水路，再与水一起混合后经喷嘴射出，形成微 磨料水射流，其原理如图1 4 所示。 运载式微磨料水射流一般需要6 3 6 5 1 x m ( 2 2 0 一- - 2 4 0 # ) 微磨料，其切缝宽度为1 5 0 3 5 0 1 t m 之间。 1 2 2 微磨料水射流的关键技术 ( 1 ) 磨料 ( a ) 磨料粒径。微磨料水射流所用的磨料粒径通常为微米级、亚微米级、纳米级。传 统磨料水射流一般选取磨料粒径大于8 0 “m ，浆体射流磨料粒径要小于传统磨料水射流 粒径。浆体磨料射流是使用预先混合好的混合体进行加工。m a w j 的粒径必须足够小， 因为微颗粒容易吸附空气中的水分，增大其粘性阻力，不利于磨料顺利进入混合腔，因 此磨料依靠负压和自重已不能被顺利引入，目前，大都研究者都通过添加无粘性的添加 剂使磨料预先制成浆液磨料，产生浆液射流进行加工，这种加工工艺不易溶于水，更不 易堵塞聚焦管。为此，微磨料水射流通常采用浆液磨料水射流加工原理。根据磨料的主 要成分而有石榴石、氧化铝、碳化硅磨料之分r 7 1 7 】。 射流中磨料含量由磨料粒径和聚焦管直径决定。磨料粒径低于聚焦管直径的1 1 0 时，射流中磨料含量最高可为5 0 ，但此种情况，射流的切割效果并不令人满意。在 m a w j 加工系统中，系统的加工性能对磨料含量特别敏感，因为磨料含量增大极易造成 聚焦管堵塞，故在m a w j 中磨料含量都很低。 ( b ) 磨料输运( a b r a s i v ee n t r a i n m e n t ) 。很明显，微磨料水射流磨料颗粒的输运是微磨 料水射流加工系统中的关键技术，其要求也是非常苛刻。浆液磨料的输运系统相对来说 要简单一些。目前后混合磨料水射流系统中磨料主要靠负压和自重进入混合腔，这种输 运方式容易造成输运管道的堵塞，且磨料的流量无法控制，经常会造成加工成本的提高。 而浆液磨料可被认为是磨料水射流的增值功能，对进入市场存在较小的商业风险。为此， 研究浆液磨料的输送装置是开发微磨料水射流的精密输运系统的一种过渡。一股对于输 运装置的设计会考虑利用机械传动和重力输运，也有两种相互结合使用。对于间断性工 作的系统，采用脉冲供料是一种不错的选择，而对于连续工作的系统，采用浆液磨料的 微磨料水射流喷嘴优化研究 自重辅以机械运输直接流入切割装置，并伴随机械搅拌结构来保证磨料的悬浮。到目前 为止，本实验室已经实现了磨料的精确控制。 ( 2 ) 高压水发生设备 超高压泵( h i g hp r e s s u r ep u m p ) 。一般来说，a w j 的功率与水压成正比关系，即水压 增大，射流功率也增大。这表明，提高射流的压力可以提高6 盯的加工速度。研究表 明，当把射流压力由4 0 0 兆帕增至4 4 0 兆帕时，w 叮的加工速度将变成原来的1 1 倍。 不过，水压提高必将造成整个射流设备价格上升，使加工成本显著提高。考虑到悬浮式 m a w j 的能量密度是引入式a w j 的5 倍左右，且设备组件的可靠性和实用性，微细磨 料水射流的压力一般在7 0 兆帕左右选取。对于微细磨料水射流来说，稳定的射流流量 是加工的前提条件，这样，射流整体系统的压力波动必然不能太大。对于m a w j 来说， 对压力波动的要求更严格。同时，在m a w j 系统中，对水质的要求也很高，因为，m a w j 聚焦管直径较小，水中有杂质容易造成聚焦管堵塞，所以在微磨料水射流系统中安装精 密过滤系统显得尤为重要。 ( 3 ) 喷嘴结构 微磨料水射流喷嘴结构中的重要部件为聚焦管。在纯水射流系统中，其喷嘴结构主 要有高压水开关阀，宝石喷嘴。磨料水射流还包含磨料和水进行混合的混合腔、聚焦管。 本文研究的微磨料水射流系统主要是后混合式、非淹没式的。如下图1 5 所示( 本实验 室现有设备) 。在m a w j 喷嘴结构中主要存在以 下问题： ( a ) 供料控制与防堵塞。在磨料水射流加工 中，堵塞问题一直困扰着人们。主要原因是聚焦管 的直径很小，而磨料在喷嘴结构中的流动存在着不 确定性，容易在某处聚集造成射流流道的堵塞。对 于微磨料水射流来说，其聚焦管直径将更小，堵塞 问题将更容易产生。在加工中，突然停泵、操作不 当，磨料流量过大等都会造成微磨料水射流系统的 堵塞，造成故障率高、使用成本费用上升，所以在 对喷嘴结构进行设计时一定要把堵塞问题作为重 点进行计算。目前采取的措施主要有减少送料的距 离、对磨料输运采用精确自动控制以及对喷嘴结构 部件进行c f d 动态数值模拟 7 a 7 】。 ( b ) 微型喷嘴的加工。磨料水射流系统中的磨 6 图1 5 喷嘴结构 f i g 1 5 t h es t r u f t t t r eo fn o z z l e 西华大学硕士学位论文 料喷嘴( 聚焦管，简称喷嘴) 是产生微型射流的关键部件。对于后混合式微磨料水射流 来说，磨料颗粒和高压水流在混合腔内进行混合后流入喷嘴，在整个喷嘴中的流动，磨 料和喷嘴壁面直接接触的可能性很大，因磨料颗粒具有极高的速度，接触后的喷嘴将会 急剧磨损，所以对于喷嘴材料的选择首先应考虑耐磨性。因射流在微磨料水射流系统中 由高压低速变成低压高速，喷嘴经受住高压，高速的不断能量变化中，在变化中将要承 受来自射流的较高冲击力，所以喷嘴的刚度也是设计的重点问题。由于喷嘴材料刚度高， 耐磨性好，且内部孔径在微米级，所以对它的加工就很困难。目前， 5 0 i _ t m 的喷嘴已能 够通过激光进行加工，其加工质量和成本也能被接受。也可加工直径为1 0 9 m 的喷嘴， 但加工效果很差，且加工成本太高，不能被推广。所以对于m a w j 来说其射流直径主要 由喷嘴加工水平来决定。目前，喷嘴直径在1 0 - - - 1 0 0 “m 之间。 ( c ) 流体在喷嘴内的流动。对于后混合微磨料水射流来说，流体在喷嘴内的流动为复 杂的紊流流动，因高压水流在混合腔内产生一定的真空度，使磨料在压差的作用下进入 混合腔，并和射流进行充分混合再流出喷嘴。磨料的运动轨迹很难把握，且两相流的流 动性能( 压力、速度、耗散等等) 如何变化、以及射流的连续性，磨料在喷嘴结构内部 的分布等都有待研究。 根据目前技术水平，可以解决微型磨料射流系统中的供料控制、防堵塞和微型喷嘴 加工等问题，微型精密射流设备制造成本完全可以接受，并且很方便地与机械手操作系 统组合一体【j 7 1 。但流体在喷嘴内的流动情况至今没有得到解决；且由于检测设备发展的 限制，喷嘴寿命问题需亟待解决。计算流体力学( c f d ) 的发展为这一问题求得高精度的 数值解和实现可视化提供了强有力的工具【2 啦1 1 。为此，本文将先进的商业软件f l u e n t 应用于后混合磨料射流喷嘴结构内流分析，探索其内流状态并进行几何参数的优化。 1 3 本课题研究的目的、意义及主要内容 1 3 1 研究的目的及意义 微磨料水射流技术是近1 0 年来发展最快的特种加工技术之一。现阶段，微小机电 系统、光电子元件及医疗器械对微细n i ( 包括精密切削和钻孔) 的需求及其产值也在不 断增长。用于微细零件的材料，如工业陶瓷、光学玻璃、电子芯片、聚合物等，多具有 高硬度、高脆性和高熔点等特点，使用激光等和其他传统的加工手段，难以实现良好 的加工效率、精度和加工质量。微磨料射流技术则可以满足这些特种加工的需求。因此， 开展微磨料水射流精密加工技术研究有着广泛的应用前景。 喷嘴是微细磨料水射流的发生元件，是切割、破碎与清洗工艺的执行元件，是磨料 水射流技术应用中获得高能量利用率的关键因素之一，是水射流系统中把水压能转变为 微磨料水射流喷嘴优化研究 动能的一种装置。通过喷嘴能将管路中高压低速转化成低压高速的水流，因此喷嘴的性 能直接影响射流的质量。喷嘴的结构直接影响喷嘴的磨损和喷嘴对射流束的聚焦性，为 了提高喷嘴的性能，必须不断地研究和改善各类喷嘴的几何造型，建立起喷嘴结构与动 力性能之间的关系。 本论文的目的旨在通过对喷嘴流场的模拟仿真和喷嘴结构参数对喷嘴性能的影响的 研究，提出一种微磨料水射流喷嘴结构，优化出适合微磨料射流加工特征、流线性较好 的高效切割喷嘴。该喷嘴应具备射流密集性好、能量高、射程远的特点并保证射流有良 好的流动特性和动力性能。 喷嘴是水射流加工系统的关键部件，其结构参数可决定射流的动力特性和流场分 布，直接影响工件的切割质量和效率。因此，对其进行动力特性分析，优化出高效率的 微磨料水射流喷嘴具有十分重要的理论意义和广阔应用前景。 1 3 2 主要研究内容 在实验室早期的研究中，发现微磨料射流加工时喷嘴直径很小，磨料尺寸更小，含量 更低，磨料输送愈加困难。设计和优化喷嘴的几何形状、结构参数显得十分必要。高性 能的喷嘴应使混砂管内的射流束与磨料混合均匀；聚焦管长度适中，使其能更好聚焦； 还能够调节微磨料的流量获得好的切割性能。 因此，设计和优化喷嘴的几何形状、结构参数，建立喷嘴结构与喷射性能之间的关 系，是本项目的主要研究内容。可为进一步研究微磨料水射流工作打下基础。本项目研 究内容包括： 1 对水喷嘴进行气一液两相流的流场仿真，并分析比较水喷嘴内部流道型线对喷 嘴性能的影响。 2 喷嘴内外部流场模拟计算。在现有的喷嘴型线结构基础上，结合流体力学基本 理论，考虑液固两相流和气液固三相流，射流初始条件( 喷嘴形状，初始湍流强度) ， 建立基本数学模型，确定其边界条件和初始条件，然后建立离散方程，通过f l u e n t 仿真 软件，求解出喷嘴内、外流场的压力、速度分布情况。并考虑磨料颗粒的运动性质和分 布情况，以减少磨料对喷嘴的磨损，进而提高喷嘴的聚焦性能。 3 喷嘴结构分析。改变喷嘴的形状和几何参数( 如入口锥度、喷嘴内径、混沙管 长度等) ，求解出其改变对流场速度、压力的影响，确定出混砂管的结构和尺寸，并结 合磨料颗粒的流场分析，结合前人的研究成果，优化出适合微磨料射流加工特征、流线 性较好的高效切割喷嘴。 8 西华大学硕士学位论文 4 实验验证和检测。由于试验条件有限，很多模拟结论无法得到验证，故本文结 合实验室现有条件，在磨料水射流机床上进行加工试验，通过不断的改变加工靶距，从 侧面验证微磨料水射流外流场冲击射流模拟结论的正确性。 1 3 3 课题来源 本课题研究受到国家自然科学基金“微磨料水射流三维刻蚀技术的研究”( 项目批 准号：5 0 8 4 4 0 3 3 ) 、人事部留学人员科技活动项目择优资助项目“微细加工磨料水射流 技术的研究及应用”( 编号 0 7 2 0 2 0 8 1 ) 和四川省教育厅“基于c f d 微磨料水射流喷 嘴结构优化设计( 0 9 z a l1 6 ) 资助。 9 微磨料水射流喷嘴优化研究 2基于c f d 的水射流喷嘴研究 随着计算机技术和数理算法学科的不断发展和进步，计算流体动力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 逐渐在流体力学领域内崭露头角，成为继理论 流体力学和实验流体力学之后的又一重要研究手段。 理论分析的结论具有普遍性，各种影响因素都有明确解释，为实验研究和数值模拟 方法提供理论支持。但在进行理论计算时要对研究对象简化才能得出结论，对于一些非 线性方程，很难求解出结果。实验测量方法真实可信，但因实验精度要受到很多人为因 素的干扰，且受到精密仪器发展的限制，实验方法在某种场合是无法进行的。c f d 研究 方法的出现弥补了理论研究和实验研究的缺陷，在近年来得到了迅速的发展 2 5 1 。 计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等 相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间 域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合 来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程 组，然后求解代数方程组，获得场变量的近似值 2 2 - 2 5 。 建立流体流动代数方程组的依据是流体流动所遵循的物理定律。这些定律主要有质 量守恒、动量守恒、动量矩守恒、能量守恒、热力学定律，还有一些状态方程、本构方 程等。在进行流体求解时，还要考虑流体的流态等。 c f d 方法应用于水射流技术已有一段历史，但传统的射流求解误差很大，还需要大 量的实验加以辅助求解。磨料水射流的流场状态很复杂，主要有非淹没式自由射流和冲 击射流，其中主要是进行气液、液固、气液固等两相流和三相流求解，机理很复杂，它 不仅涉及到经典流体力学，还涉及到激波、声阻抗等现代物理理论，且求解计算时设置 参数不易获取等，都给计算带来很大的麻烦。利用c f d 方法能有效求解射流的动静态 特性，且可实现对喷嘴内部流场的可视化研究，能对整个流场进行定性的研究，并能准 确的求解出流场内部各点的速度、压力、紊动能等，为我们更好地进行射流组件的优化 设计提供更有效的研究手段【2 6 】。 2 1 计算流体动力学在a w j 喷嘴中的应用 国内外学者对磨料水射流喷嘴结构、尺寸进行了大量理论模拟和分析研究。 q u i n n 等人基于c f d 方法通过对各种喷嘴进行研究，认为射流轴心速度和初始段截 面上的速度与内部流道型线有关【2 。 1 0 两华大学硕士学位论文 k h a n 等人根据连续性方程、动量方程、紊动能和能量耗散方程，对各种水喷嘴内 部高压紊流的动力学行为进行预测，求解了锥角为l o 。、6 0 。、9 0 。的水喷嘴，认为 9 0 。锥角的喷嘴在进入锥直段之前就出现了循环现象，在壁面附近紊动能耗散严重，因 此，能够形成循环的9 0 。喷嘴性能最优，即出口速度最大。而且研究表明锥直段长度设 置为喷嘴出口直径的4 1 0 倍最好【2 8 】。 z h e n g l i 对喷嘴进行数值和实验分析，认为长径比为3 0 、磨料喷嘴与水喷嘴直径之 比为1 3 较理想；聚焦管收敛角为4 5 。，混合腔的长度为1 5 8 7 m m 的喷嘴结构混合特 性最优【2 9 1 。 h l i l l 等人对磨料水射流的水射流、液固两相流、气液固三相流进行了数值模拟。 通过变化初始设置和边界设置进行求解，得出在射流基本段射流轴向速度出现快速衰退 现象和磨料颗粒在横断面上的速度出现“帽型”分布的结论。 3 0 1 。 雷玉勇等通过对喷嘴结构的可视化研究，认为聚焦管长度存在最优值；磨料粒子的 加速和混合腔的长度有关，混合腔长度为聚焦管出口直径的3 0 - 4 0 倍内选取时可以得到 最大的磨料出口速度；聚焦管的收敛角增大，而磨料颗粒的速度会降低：减小收敛角有 助于降低磨料对喷嘴结构的磨损【3 1 1 。 王东等利用c f d 方法研究了高压水射流的多相流流场流动情况，认为淹没和非淹 没、压力、喷嘴直径、磨料的流动特性等对射流流场均有影响，认为非淹没条件下磨料 水射流是高压水切割工具的有效形式。圆锥形射流喷嘴效果要好于圆柱形和锥直型：磨 料直径不同对水速影响很小等结论【3 2 】。 陈明等通过实验研究了磨料水射流中磨料粒子的运动规律，认为射流内部靶距以及 混合腔高度对喷嘴结构影响较大，认为切割性能最优的参数设置为：内部靶距1 2 r a m ， 混合腔高度5 0 m m p 引。 王毅等人通过对磨料水射流内外流场的仿真，得到了气液、气固、液固两相流和气 液固三相流的速度场分布图。而且还研究了喷嘴的结构参数如混合室的大小、喷管直径、 倒角半径、锥角以及混合管长度对两相、三相流的出口速度的影响情况【3 4 - 4 0 。 从以上文献我们发现国内外学者利用c f d 理论对m a j 喷嘴做了大量的研究，发现 喷嘴的几何参数和内部型线结构对喷头内部流场影响很大。合理的喷嘴能提高m a j 加 工效率，所以，优化出高性能的喷嘴是学者们不断追求的目标。 近年来在微机电系统的刺激下，人们对w m a j 做了很多研究，但利用c f d 理论进 行研究的还是少数，其中，山东大学的刘丽芳采用计算流体动力学仿真软件f l u e n t 计算分析了m a w j 内外流场，认为在混合室高速水柱两侧气液界面处存在漩涡，对锥 微磨料水射流喷嘴优化研究 段处的结构进行了改进，增大收敛角、减小锥段长度，在该条件下的仿真结果表明，锥 段处水的速度明显提高，积水现象有了很大改善【4 1 1 。 从目前研究现状看，用c f d 理论对传统磨料水射流技术的研究较多，但有关微磨 料水射流技术及其在微细加工方面的研究报道较少。特别是有关微磨料水射流的混合机 理、微磨料水射流加工机理、加工工艺和加工系统规律方面的研究更少。总体上来看， m a w j 的研究尚处于起步阶段。 因喷嘴在射流技术中的重要性，它将一直是国内外学者研究的重点。而数值模拟研 究手段因其具有方便、直观和灵活的优点也将在喷嘴研究中得到广泛应用。同时随着射 流技术在各个行业的发展，喷嘴将朝着精确化、微型化和专业化方向不断发展。 2 2c f d 基本理论