（机械制造及其自动化专业论文）高压磨料水射流切割喷嘴流场分析及结构参数优化研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 高压磨料水射流切割喷嘴内部流道型线结构直接影响到射流流场动力特性的 优劣，设计出高性能结构参数的喷嘴逐渐成为了国内外学者研究的难点和热点。 探讨适合于前混式和后混式的最佳结构切割喷嘴形状及射流流场特性、优化喷嘴 结构参数具有重要的理论和实际应用价值。 论文首先根据射流理论，进行了喷嘴设计，建立了五种的不同结构喷嘴物理 模型；其次，分别建立了适合这些喷嘴性能分析的单相流和液固二相流的控制方 程和封闭方程；采用混合有限分析法对这些方程进行离散；采用s i m p l e 算法对 计算平面上射流进行压力和速度耦合；数值模拟分析表明：过渡段的长短直接影 响射流的等核区的长度，影响射流的集束性；各个喷嘴的动压和总压分布情况是 沿射流的轴线方向呈递减的，类似“帽”状的分布；射流中心的速度最大。单相 流情况下，本文设计出的具有收缩段、过渡段和扩散段内部流道型线的喷嘴流动 特性较好；并且在收缩段和过渡段有圆角特征的喷嘴流场特性更佳；这种出口具 有扩散段的喷嘴所产生的流场的出口径向速度较大，集束性不佳，这种特性更适 合于做后混式水喷嘴，能更好的将水流和磨粒混合均匀。液固二相流情况下，传 统的锥直型流道的喷嘴具有较好的流动特性，且射流的集束性较好；径向的速度 较小，此类喷嘴更适合做前混式高压磨料水射流切割喷嘴。 最后，将t a g u c h i ( 田口方法) 应用到喷嘴的结构参数优化中来，分别建立l 1 8 和l 9 正交分析表对适合后混式的喷嘴和适合前混式的喷嘴的结构参数进行优化设 计。 关键字：磨料水射流，喷嘴，数值模拟，液n - 相流，t a g u c h i 方法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fd y n a m i cc a p a b i l i t yo f j e tf i l e do fh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e t c u r i n gn o z z l ei si m m e d i a t e l yi n f l u e n c e db yi t si n s i d es h a p e i ti sad i f f i c u l t yf o r s c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l dt od e s i g nan o z z l e 、 r i t hg o o dc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wf i e l do ff i v en o z z l e sa n dd i s c u s s i n gw h i c hn o z z l e w i l lb et h ef i n e s tf o rp r e m i x e do ra f t e r - m i x e da n do p t i m i z i n gp a r a m e t e r so fn o z z l e c o n s t r u c t i o ni sv e r yv a l u e f i r s t l y , f i v ek i n d so f n o z z l em o l d sa r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y t h ec o n t r o l e q u a t i o n sa n dc l o s e de q u a t i o n s o fs i n g l e - p h a s ea n dl i q u i d s o l i dt w o - p h a s ea r e c o m p l e t e d t h ea t t e n t i o ni sp a i dt oh y b r i df i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ( i - 珲a m ) a n dt h e n , t h es e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o na n dv e l o c i t y l i n k e de q u a t i o n f o ri - i f a ms t a n d a r de q u a t i o ni nc y l i n d r i c a la x i a ls y m m e t r i cc o o r d i n a t es y s t e mo nt h e c o m p u t a t i o n a lp l a n ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h er e s u l to fd i s s e r t a t i o na sf o l l o w i n g ：t h e l a n g t ho f t h eb e e l i n es e g m e n to f t r a n s i t i o ns e g m e n td i r e c t l yi n f l u e n c et h ed i s t a n c eo f j e t c o r ea n dt h ec o n c e n t r a t e dc h a r a c t e r i s t i c g e n e r a ls p e a k i n g ，f o rt h er a n g eo fd o w n s t r e a m d i s t a n c e sc o n s i d e r e d ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a taj e ti sc h a r a c t e r i z e db ya ni n i t i a lr a p i d d e c a yo ft h ea x i a lv e l o c i t ya tt h ej e tc e n t r ew h i l et h ec r o s s s e c t i o n a lf l o we v o l v e s t o w a r d sat o p h a tp r o f i l ed o w n s t r e a m ，a n dt h ev e l o c i t yo f j e tc e n t r ei st h em o s tq u i c k l y i nt h ec o n d i t i o no fs i n g l e - p h a s e ，t h en o z z l ew i t ht h ei n t e r i o rs h a p e ，w h i c hh a s c o n s t r i c t i o ns e g m e n t 、t r a n s i t i o ns e g m e n ta n dd i f f u s e n e s ss e g m e n t , h a sab e t t e r j e t c h a r a c t e r i s t i c i ti si nt h ec o n s t r i c t i o ns e g m e n ta n d t r a n s i t i o ns e g m e n tw i t hr o u n da r c t h a tt h e r ei sb e t t e rj e t c h a r a c t e r i s t i c t h i sk i n do fn o z z l ei sf i t t e rf o rb e i n ga f t e r - m i x e d w a t e rj e tc u t t i n gn o z z l ei nt h eh i 曲p r e s s u r ea b r a s i v ew a t e rj e tc u t t i n gh e a d i nt h e c o n d i t i o no fl i q u i d - s o l i dt w o - p h a s e ，t h ec o n v e n t i o n a ln o z z l ew i t ht a p e r - b e e l i n es h a p e h a sab e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ec o n c e n t r a t e dc h a r a c t e r i s t i co fi ti sb e t t e r , a n d t h er a d i a lv e l o c i t yi sl o w e r t h i sk i n do fn o z z l ei sf i t t e rf o rb e i n gp r e m i x e dw a t e rj e t c u t t i n gn o z z l ei nt h eh i g hp r e s s u r ea b r a s i v ew a t e r j e tc u t t i n gh e a d l a s t l y , t a g n c h ii su s e dt od e s i g na n da n a l y s et h ep a r a m e t e r so fn o z z l e s ，a n dt o e s t a b l i s ho r t h o g o n a l a r r a yl 1 8a n dl 9r e s p e c t i v e l y t oo p t i m i z et h ec o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r so f n o z z l e sw h i c hi ss u i t e df o rp r e m i x e da n da f t e r - m i x e dc u t t i n gn o z z l e s k e yw o r d s ：a b r a s i v ew a t e r j e t ；n o z z l e ；s i m u l a t i o n ；l i q u i d - w a t e rt w o p h a s e j e t ；t a g u c h i 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， 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：丁孝匏 指导教师签名： 学位论文作者签名：j 锄维 指导教师签名： 沙己年f l 月彩日 年月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名j 李记 日期：2 6 年12 - 月，垆日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文选题背景和目的 1 1 1 高压磨料水射流切割技术优点及其应用 很久以前，人们就已经认识到水流潜藏着巨大能量，利用水力转化为动力、 电力等其他的能量形式；另外，“水滴石穿”是人们经过长期的观察得到的道理， 其具体应用已经贯穿到了工业、农业、化工、医疗、军工等各行各业中；3 0 年代， 人们发现高速的飞行器穿梭于雨中时，会受到雨滴的巨大的冲击力，并且对飞行 器产生冲蚀的效果，这就启示人们去对高压水射流( h i g hp r e s s u r ew a t e r j e t s ) 的研究 和应用。最初，高压水射流被应用在采矿业，用于冲蚀煤矿和冲洗金沙；6 0 年代 末，密西根大学的r f r a n z e 从热蒸汽透过小间隙泄露后具有强大推动力的现象中 得到启发，研究了用高压水射流对木材的切割作用【i 】；1 9 7 1 年，首台高压水射流 切割机在美国问世，可以切割多种非金属软材料【2 】；1 9 7 4 年，美国f l o w 公司研 制出第一台水切机产品；1 9 8 3 年，美国又发明了磨料水射流切割机，其切割能力 大幅度提高，可切割各种金属及非金属材料，从而有了新的突破。 经过多年的发展，人们研究如何降低工作压力，从而降低设备成本，逐渐出 现了气穴射流、脉冲射流、纯水射流及磨料射流。高压水射流切割分为纯水射流 ( w j - w a t e rj e t ) 和磨料水射流( a w j - k b r a s i v ew a t e rj e t ) ，高压水射流切割技 术，是利用压力差的原理，将压缩的水通过一个极小的孔，从而产生了高速的射 流，高速射流可以混合磨粒以便加强射流的强度，冲蚀到工件表面形成切割效果， 因为这种独特的优点而逐渐成为了切割领域以及冷加工领域的佼佼者。与其他切 割方法相比，高压水射流切割加工是一项以“柔”克刚的冷加工技术，其广泛应 用是由于其自身的独特、无可替代的优点： ( 1 ) 切割过程无粉层、无味道、无气体、无火花等产生。即使加工对有害物 质，如石棉也无害于操作者的健康的； ( 2 ) 冷切割。加工本身无热量产生，加上冷水的高速冷却，所以工件的断口 没有任何组织烧伤、没有热应力和变形，加工区域温度小于1 6 0 。c ； ( 3 ) 切割割缝小、质量高、材料利用率高。目前最小的切割缝隙已经达到 江苏大学硕士学位论文 o 0 7 5 r a m ，公差可达0 0 6 m m - 0 2 5 r a m ，光洁度可达r a 2 7 p a n ，表面平整光滑： 可多层切割，如切割拼花板块； ( 4 ) 切割断面毛刺少或者无毛刺。切割脆性材料工件无毛刺产生；切割塑性 材料产生的毛刺较小； ( 5 ) 点切割。可以从材料的任何位置进行切割，无须开眼或者开槽； ( 6 ) 高效、简便的操作。可多个喷嘴同时加工达到工件的要求，不需要中间 的工序，加工的辅助时间较少；喷头轻、体积小灵活，易于实现自动化、柔性化 和集成化，易与n c 、c n c 、机器人技术结合，c a d c a m 等零件编程或修改，无 需图样库存； ( 7 ) 对多数的复合夹层材料无脱落层产生； ( 8 ) 加工的作用力小，侧向力小，夹具简单、方便或不需要夹紧； ( 9 ) 与工件无直接接触，可以切割精确角度或特殊形状； ( 1 0 ) 及时制造( j u s t - i n - t i m e ) 能力强； ( i i ) 材料切割范围广。可以切割任何材料的，尤其对极软、脆、致密坚硬、 热敏、易燃等难加工材质切割优势明显； ( 1 2 ) 一个增压泵，可以多头运用。既可多喷头同时作业，也可多头同时不同 作业。 ( 1 3 ) 加工安全、振动小、噪音低。便于防火、防暴、防反应、防瓦斯等危 险场合，不污染环境； ( 1 4 ) 可实现与其他工艺复合或辅助加工。采用模板可钻出小于喷嘴直径的 小孔。可辅助开矿采石、打隧道、辅助车、铣、钻等工艺； ( 1 5 ) 可水下切割，经济性好。可在水下5 0 0 m 下工作；水消耗量少，成本低， 设备维修费用少，磨料石榴石、石英砂等来源丰富、价格低廉。切割钛等难加工 的材料可以节省5 0 的加工费，切加工性能更好。 因为这项技术的独特优点，国内外公司逐渐开发出了众多的水切割系统，我 国这项技术仍靠引进，少数单位正在研究和跟踪国外的进展，但还是没有非常专 业的厂家自主生产成套的工业产品，而国外这项技术发展很快，目前已拥有约2 0 0 0 个系统，主要在西方发达国家的飞机、汽车、航天、军工、建筑、矿业等2 0 多个 工业领域中应用，主要有以下几个方面： 2 江苏大学硕士学位论文 1 工业切割 工业切割和加工是高压水射流技术应用的主要方面。例如：塑料切割，纸切 割，纤维、纺织品切割，橡胶、皮革等切割，食品切割，火药切割，冰切割，木 材、合成材料切割；在飞机工业、车辆工业、造船业、钢筋制品业、桥梁业、厨 房用品业等对各种金属的切割；切割镶网玻璃、彩色玻璃、陶瓷切割；磁性材料 的切割，建材切割。 2 挖掘开矿和钻井 现在的挖掘开矿业和钻井业中应用高压射流技术，在美国居于领先地位的是 高级的采矿建筑系统公司、费勒第尔公司和费尔莫尔公司。 3 清洗 利用高压水射流清洗汽车、高层建筑、飞机场跑道、换热器、下水道和锅炉 等，近年来发展更快，各种清洗机相继问世；另外，高压水射流除锈，清洗油漆、 涂料、铸件毛刺等在各部门都得到了应用。 4 材料破碎 高压水射流在应用方面还有很大的潜力，它可将煤粉加工成细小的颗粒以便 于进行清理和生产清洁的燃料；还可以用水力制浆法分离木制纤维。 当然，随着研究的深入，出现了气穴射流、脉冲射流、磨料射流等等，其中， 目前使用较为广泛的是磨料射流。如图1 - 1 所示的是高压磨料水射流切割机床和加 工出的地板拼花产品。d d i s i 图1 - 1高压磨料水射流切割机床及拼花地板 1 1 2 高压磨料水射流切割系统概述 针对这项具有广阔应用前景的冷切割技术，目前我们还面对着很大的问题， 江苏大学硕士学位论文 那就是一次性投资太大。国内引进一套系统，平均1 0 - 5 0 万美元。国内开发，按 档次不同，也要十几万到百万人民币。平均操作费用约5 0 - - 1 5 0 元h ，但可创值2 0 0 元小时以上。所以我们必须了解这一切割系统的组成，尽可能的优化切割系统中 的关键部件，以达到提高整体性能的目的。 1 切割系统组成 高压磨料水射流( a w j - a b r a s i v ew a t e r j e t ) 切割装置包括增压装置、蓄能装置、 切割头、磨料进给系统、导管和回收装置等，如图1 2 所示。 图i - 2a w j 切割系统示意图 增压装置：增压装置是系统的动力源，一般高压水泵为三注塞泵，用压力、 较低的油压产生较高的水压，为蓄能装置提供静压，其过程可以由卸荷阀调节实 现自动卸荷。 蓄能装置：为了保持高压水的连续流动，减少系统内的压力脉动，需要用 一个高压水的蓄能器，蓄能器内没有运动件，当增压器换向时，可以依靠水的可 压缩性而保持输入压力。 磨料进给系统：高压磨料水射流切割系统的磨料进给系统为水射流提供磨 料进给。磨料水切割时，利用高压水从喷嘴中喷出的高速水射流形成的负压真空 来抽吸磨料，磨料供给装置中没有调节瘗料供应量大小的磨料调节阀，此阀开口 大小有刻度显示，刻度值大小与实际标定曲线相对应。这样用户可以预选磨料的 供应量。 回收装置。用来收集切割物料之后的水流，它可以降低噪音，使水流回收 处理，起到绿色环保的效果。 切割头。就高压磨料水射流切割而言，根据磨料的加入方式不同，可将高 压磨料水射流切割头分为前混式和后混式两种。前混式，如图卜3 ( a ) ，是将磨料 4 江苏大学硕士学位论文 与水在管道中均匀混合后，通过压力泵加压通过喷嘴孔，从而产生高速度的液一固 混合射流，因而切割能力强，所需的工作压力低；后混式如图卜3 ( b ) ，是先将水加 压，稳压，再通过极小的喷嘴孔，利用压力差将水流加速，经过混合腔的时候由 于“空化效应”，将磨料通过磨料输送管道吸入混合腔与高速水流混合，水射流 同时将磨料进行加速，产生强度极高的射流，然后冲蚀工件达到切割效果，因为 磨粒进入混合腔时间短，吸收水的能量不充分，因而切割能力低，所需工作压力 高，目前以后混式使用为主。 ( a ) 前混式喷头 ( b ) 后混式喷头 图l - 3 切割头图例 2 影响切割质量的工艺参数 影响高压磨料水射流切割质量的工艺参数有水压( p ) 、流量( q ) 、喷嘴结构参 数( 内径、长径比、材料、形状) 、靶距( l ) 、冲击角度( 占) 、相对移动速度( “，) 、 切割次数( r 1 ) 、总功率( n ) 、磨料参数( 种类、尺寸、流量m ) 、磨料混合方式、工件 参数( 厚度、材料) 等2 0 多个。要对这些参数进行全面的定量研究和优化目前还有 一定的困难，下面介绍一些重要的参数定性规律： ( 1 ) 水压：水压决定水射流速度和冲蚀能量，水压越高，水射流速度越快， 切割能力越强。压力高对活塞缸等的制造及密封要求就越高。一般对某种特定的 材料而言都有一个与其对应的切割破坏力，只有达到这一破坏力才能起到切割材 料的效果，一般最佳的水压为材料切割破坏力的3 倍。目前，就市场上使用比较 广泛的切割系统而言，泵的系统压力大约在5 m p a - 4 0 0 m p a 。 ( 2 ) 流量：水的流量决定于喷嘴直径和水压，水流量越大切割的效率越高， 江苏大学硕士学位论文 此时要求的功率也越高，要求总功率也更大，通常为0 5 - 1 5 l r a i n 。 ( 3 ) 喷嘴参数：其材料要求耐磨性较高，高压水射流切割喷嘴是人造( 或者天 然) 红宝石和蓝宝石，直径常为0 0 5 m m - o 3 m m ；高压磨料水射流切割喷嘴一般是 用碳化钨、超硬陶瓷、复合碳等，孑l 径常为o 4 m m - 2 o m m ，与粒度为6 0 # - 1 2 0 # 的 磨料匹配选用，长径比越大，磨料混合效果越好。喷嘴形状、结构有多种。 ( 4 ) 靶距：如果靶距越大，切割能力就变弱，而且工作噪音越大；如果靶距 过小的话，磨料反射到喷嘴上对喷嘴的损伤也越大，且反射磨料会抵消一部分工 作能量，甚至堵塞喷嘴口，切割效率反而降低，还有可能妨碍工件和喷嘴的相对 移动。 由以上对影响切割质量因素的介绍，我们发现切割头的优劣直接影响到射流 的形状以及射流的流场动力特性，那么切割头中关键的部件之一是喷嘴，其质量 高低同样决定射流流场的动力特性和流场分布，直接影响工件的切割质量和切割 过程的效率因素。从而，直接决定其切割性能的装置之一喷嘴就得到了国内 外学者研究的焦点。因此，对高压磨料水射流切割喷嘴进行动力特性分析，设计、 优化出高效率、节能、环保的高压磨料水射流切割喷嘴将具有十分广阔的前景和 重要意义。此技术涉及流体动力学、超高压设备设计与制造、特种密封、耐磨材 料、电子、控制、检测、水化学等综合科技，是一种典型的机电液一体化的高科 技产品，对国家建设具有极其重要的意义和开发价值。 1 2 国内外a w j 喷嘴的研究现状 1 2 1国内外a w j 喷嘴的研究现状 无论对于前混式或者后混式的高压磨料水射流切割而言，喷嘴的质量好坏都 直接影响磨料水射流的动力特性，从而影响切割工件的切割质量，喷嘴一般用人 造蓝宝石制成，这种喷嘴寿命长，成本低。如图1 3 中“j e w e l ”所指的就是宝石 喷嘴，其结构参数的优劣直接影响水射流的动力特性，影响水射流的流场性质， 影响磨粒和水的混合质量，喷嘴结构目前用的最多的是截面为圆形，内流道形状 是直线型的喷嘴，那么什么样流道型线的喷嘴结构是最适合做前混式喷嘴，什么 样的喷嘴结构最适合做后混式喷嘴呢? 本文的内容之一就是设计喷嘴结构和分析 喷嘴流场特性。 6 江苏大学硕士学位论文 另外，喷嘴的材料要求很高，因为在高速水射流流动情况下，喷嘴磨损很快， 目前普遍使用宝石喷嘴：对了后混合切割头而言，对混合管的材料要求也很高， 磨粒和水射流在混合腔混合后直接进入混合管，其液固混合液对混合管的磨损剧 烈，目前混合管的材料用日本人开发出的碳化钨混合管居多，还有学者研究出了 在水射流中加入润滑剂以减少液固混合流体对喷嘴的磨损。 一、国外研究 b a r k e r 等人实验研究了喷嘴几何尺寸对淹没水射流喷嘴切割性能的影响，通 过改变喷嘴入口锥角( 1 3o 1 8 0 0 ) 和喷嘴圆柱形部分长度( o 5 4 倍喷嘴直径) ， 得出了最好的喷嘴是锥角6 0 0 ，圆柱段长度为喷嘴直径0 5 倍。【6 l q u t r t n 等利用数值计算的方法对不可压的低速下不同流道型线的喷嘴进行了 研究，指出射流初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内流道型线 有关。 7 1 k h a n 等利用连续方程、动量方程以及紊动能和能量消散方程，预测了不同蓝 宝石喷嘴内高压紊流的动力学行为，计算了3 种不同锥角( 1 0 0 、6 0 0 、9 0 0 ) 的喷 嘴，表明9 0 0 锥角在进入管嘴之前产生循环，接近壁面的大部分紊动能都消散了， 因而形成循环的9 0 。锥角的出口速度最大，最佳的长度为喷嘴出口直径的和1 0 倍。 嘲 v a s i l e v , o a ，m i l l i n s n ，s h i p o v s k i k h , a 从理论上和实验上分别分析了在 收缩一扩张型喷嘴中喉部长度对流动参数的影响。( 9 1 kb a b e t s 等采用标准模型对喷嘴内的紊流进行数值模拟，并与实验做比较得 出流体分离和空化对喷嘴设计具有重要影响。o o 日本的k a t s u y ay a n a i d a 对“喇叭”型喷嘴进行切割实验，此实验在水下进行， 可视为淹没流，工作压力4 9 - 2 9 4 m p a ，通过用多组结构参数的喷嘴冲蚀工件体积 的比较，得出此“喇叭”型喷嘴的冲蚀量是“非喇叭”型喷嘴的1 4 倍。此实验打 破了传统的直线型设计喷嘴。【i i 】 澳大利亚的h l i u 等利用c f d 软件对磨料水射流特性做了模拟，其中包括单 相流，二相流，三相流的分析，通过改变初始条件和边界条件得出测试数据，认 为在射流初始段射流中心的轴向速度会有一个快速衰退；不同磨粒速度分布和衰 退相似，小磨粒比大磨粒加速快，并且磨粒在截面上的速度分布呈现“帽形”分 7 江苏大学硕士学位论文 布。【1 2 】 gf o w l e r 等对切割参数中的切割角度做了多组数据研究分析，认为在4 5 度时 切割效果最好。【1 3 】 m i c h a e lj w o o d w a r d 利用实验手段对多种不同结构喷嘴做了压力分布的测试， 并且例举了各种喷嘴重量及其寿命和价格，此数据对喷嘴研究有积极的利用价值。 【1 4 1 m i nj o u 用线性理论对喷嘴出口的射流的波动特性做了研究，认为射流边界是 一连续的波组成的，一个周期内的波的个数与波半径之积如果大于1 时，波形很 稳定；相反时，则波形干扰将随着时间的延长而变的更加剧烈。此类型创新之处 是将射流的表面流动假设成了连续射流，对于理想状态下的分析具有一定的参照 意义，对实际的磨料水射流的射流流场边界线形分析同样有意义。i t s z h e n g l i 利用亥姆霍兹共振理论对喷嘴进行数值分析和实验分析，从而优化喷 嘴结构参数。利用f i d a p 来预测出喷嘴内部对称流的连续方程，动量方程和切口 能量方程的数值解，那么得出h d l = 3 0 和d 2 d 1 = 1 3 的参数的喷嘴最理想，并且用 激光拍摄仪器进行实验对比，与理论数据很吻合。并且得出磨料在收缩角为4 5 度， h 为1 5 8 7 m m 的喷嘴内混合特性最好( h d l 表示喷嘴长度与入口直径的长径比，d 2 是出口直径，d 1 是入口直径，h 是混合管的长度) 。【1 6 】 s f o r z a 等最早用皮托管对矩形射流进行测量，他们将矩形射流场分为3 个基本 区域，同时他们还还发现流向速度的“马鞍形”分布现象。0 7 v a nd e rh e g g ez i g e n 认为表征射流的涡环引起的匀速流动是产生流向速度的 “马鞍形”分布的原因。【1 8 】 s f e i r 【1 9 1 1 2 0 l 等人和t s u t h i y a 2 1 1 1 2 2 1 等人对不同宽高比的矩形射流进行研究，重在 探讨不同流口形状，不同r e 数情况下对流场的影响。 s c h a d o w 等对三角形喷嘴出口射流进行实验研究后认为尖角的存在使得流场 因喷嘴处流速和压力不再对称而显示出高度非稳定性，从而增强细小尺度的流体 混合和减少流场大尺度拟序结构。例 二、国内研究 谢俊石等利用r n g 湍流模式和有限体积法，并用四边形非结构网格，对不同 内部流道型线的喷嘴自由射流进行数值模拟，得出了对于轴对称等直径圆管喷嘴， 8 江苏大学硕士学位论文 进口处的流道型线对射流流道参数的分布有较大的影响，轴对称收缩喷嘴的收缩 角度大小主要影响射流出口附近的流动，对流动具有不同的阻滞效果。【2 4 】 宋拥政等通过理论分析与试验测定，分析和建立了高压水磨料射流切割的力 学特性与模型，得到水射流的流量系数为0 7 5 ，磨料射流的平均流速系数为0 9 5 。 认为水射流主要通过水介质的滞止动压进行切割，磨料射流主要通过磨粒的冲击 动压进行切割。给出了射流切断面积速度与材料破坏能量的关系曲线。瞵】 金晗辉等采用s m a g o r i n s k y 提出的亚网格应力模型对三维矩形喷嘴射流近喷 口处流场进行了大涡模拟，着重研究了较高r e 数下的小宽高比矩形射流近喷口处 流场的速度，脉动量等特征量的分布特性，并与实验结果进行了对比；气相运动 控制方程的离散采用有限体积法，时间步进格式采用二阶精度的隐式c n 差分格 式，模拟结果与实验结果具有较好的一致性。【2 6 】 汪庆华等对射流喷嘴进行了结构参数设计和性能实验，得出了动力泵压力与 磨料水射流出口均匀速度和磨料喷嘴直径的经验公式。与作者推导的理论公式比， 经验公式更符合实际，可以作为设计喷嘴和调整加工状态的依据。实验还证明了 现有计算水喷嘴直径的公式是切实可行的，以及喉管距和混合腔直径在一定范围 内变化时，其加工状态稳定。【5 9 】 陈明等通过对水射流中磨料粒子运动形式的分析，认为喷嘴结构设计参数主 要是磨料射流内部靶距和磨料混合管长度，实验结果表明内部靶距为1 2 r a m ，混合 管长度5 0 r a m 时切割效果最好。他们这种以实验研究为主的研究方法是现今最为 广泛的方法。唧 王洪伦等通过公式推导得到了喷嘴直径，初始压力，散射角对切割性能的影 响公式。【2 8 】 王东等利用计算流体动力学的方法对高压水射流切割进行了多相流的数值模 拟，研究并分析了淹没射流与非淹没射流的影响、压力的影响、喷嘴直径的影响、 喷嘴对射流的影响及淹没与非淹没流下磨料的流动特性关系，其结果可为高压水 切割工具的设计提供参考依据。【5 8 1 李宝玉等利用计算的方法研究得出当喷嘴圆柱段长度是喷嘴的出口直径的 2 5 3 0 倍时，粒子的速度能达到水射流速度的9 5 。【2 9 】 贾北华等对不同长宽比的矩形喷嘴做实验研究得出采用矩形射流切割材料， 9 江苏大学硕士学位论文 切割面积比能耗减少约1 0 1 2 左右；采用长宽比为2 o 2 5 范围内的矩形喷嘴 其性能最好。 3 0 1 马飞，张文明利用计算流体软件建立了土层扩孔喷嘴内部流场的三维数学模 型。采用标准k - s 湍流模型模拟了喷嘴内部流场，并分析了喷嘴参数对流场速度 分布、压力分布和出口速度的影响。结果表明，扩散角和扩散段长度对喷嘴内部 流场影响较大，圆柱段长度的影响相对较小，但各参数都存在着内在联系。 6 0 1 综上所述，对于磨料射流喷嘴的研究应该要考虑到单相流和多相流性质的影 响，射流初始条件，如喷嘴形状，初始湍流强度，液一固二相比例及分布对湍流射 流流场中拟序结构的生成发展的影响，等等。如何设计出具有特征曲线、流线性 较好的高效切割喷嘴，及磨料固体颗粒在射流中的运动性质和分布情况的研究， 才是整个高压磨料水射流切割喷嘴研究的难点，其分析机理是典型的单相流和液 固二相流问题。 就目前的研究现状看，主要是通过理论分析和实验相结合的研究方法。研究 水平还处在对单一流线的圆形喷嘴作研究的阶段，通过建立数学模型，研究喷嘴 和混合管的各个参数以及切割工艺参数变化对切割结果的影响问题。 设计出流线性较好的喷嘴，并且分别优化出适合于前混式和后混式的高压磨 料水射流切割喷嘴对提高整个磨料切割系统切割质量有及其重要的意义。 1 3 计算流体动力学概述及其在削w 喷嘴中的应用 1 3 1 计算流体动力学概述及软件介绍 计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 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 的基本思想可以归纳为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量场，如速度场 和压力场，用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。口1 】【3 2 】【3 3 j 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反 映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点， i o 江苏大学硕士学位论文 没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法。即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分 方程的离散化方法以及求解方法，还包括贴体坐标的建立、边界条件的处理等， 这些内容可以说是c f d 的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等，这是整个工作中花时间最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，比如n a v i e r - s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数 值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证，正是从这个 意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出，这部分工作不是轻而易举就可以 完成的。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分 析质量和结果有重要参考意义。 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。本文借助它这一完 善、成熟的软件，来对本文所建立的五种物理模型进行数值模拟。它是继p h o e n i c s 之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、实 用性最广、使用最广泛的c f d 软件之一，已广泛用于水利工程、土木工程、环境 工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域。它包含有结构化及非结构化 网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同时也可以纳入 p a t r a n ，a n s y s ，i - _ d e a s 及i c e m c f d 等专门生成网格的软件。速度与压力 耦合采用同位网格上的s i m p l e c 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差 分及q u i c k 等格式。代数方程求解可以采用多重网格及最上残差法( g 通s ) 。 湍流模型有标准彭一s 模型，r n g k ：一占模型，及r e y n o l d s 应力模型( r s m ) 等， 在辐射换热计算方面纳入了射线跟踪法( r a yt r a c i n g ) 。 f l u e n t 可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流 动( 对高马赫数下的流动，专门另有r a m p a n t 软件) ，含有粒子液滴的蒸发、 燃烧的过程，多组份介质的化学反应过程等。在其结构化网络版本( f l u e n t ，i n s ) 中采用控制容积有限元法( c v f e m ) ，在该方法中采用类似于控制容积方法来离 江苏大学硕士学位论丈 散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒特性，同时采用了非结构网格上的多 重网格方法求解代数方程。 网 格 p d f 文件 f l u e n t 网格输入和修 整 物理模型 边界条件 材料属性 计算 后处理过程 网格 p r e p d f 计算p d f 格式检查表 2 d 3 d 网格 边界 i g r ic l 2 d 三角形网格l ：i ：嬲然h 驴 2 d 3 d 混合网格l兰詈z ” g a m b i t 几何设置 2 d 3 d 的 网格生成 几何网 其他c a d c a e 图 形软件包 图1 - 4f l u e n t 软件结构图 所有商用c f d 软件均包括三个基本环节：前处理、求解和后处理，与之对应 的模块通常简称为前处理器、求解器、后处理器，如图1 4 所示。【3 6 】前处理器 ( p r e p r o c e s s o r ) 用于前处理工作，向c f d 软件输入相关数据，前处理阶段用户要 进行的工作有：定义索求问题的几何计算域、划分计算网格、选择控制方程、定 义流体、属性参数、指定边界条件( 对于瞬态问题要指定初始条件) 。求解器的核 心是数值求解方法及插值方法，常用的有限差分法、有限元法和有限体积法，有 限体积法是目前商用软件广泛采用的方法。后处理的目的主要是便于观察和分析 计算结果，输出各种图形，f l u e n t 可以输出的图形有线值图、矢量图、等值线 图、流线图等。 江苏大学硕士学位论文 1 3 ，2c f d 在a v v j 喷嘴设计中的应用 a w j 喷嘴在整个切割系统中直接决定着水射流射出喷嘴后的流场的动力特性， 其内部结构的变化必然导致流场的变化，目前，在理论分析领域中，采用数值计 算方法对流体的流动过程进行研究已经是一种较为成熟的方法，目前流体流动的 数值计算方法主要有：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 、有限体 积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和 有限分析法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ，f a m ) 。但到目前为止，国内外研究人员将 c f d 计算方法应用于模拟和分析高压磨料水射流切割喷嘴的内部和外部的流场上 的资料凤毛麟角。而采用传统的以切割试验测量方法无法清楚地显示喷头内部的 流动状态。因此，目前对于喷嘴的研究主要是进行喷嘴切割工件的宏观水力性能 的研究。 1 4 本文研究的主要内容 后混式喷头情况下，喷嘴内部的射流是纯水，此问题是典型的单相流问题； 在前混式喷头情况下，在磨粒与射流的混合后，利用高速喷出后的巨大动能冲蚀 工件材料达到切割的目的，此高压磨料水射流属于典型的非牛顿流体的液一固二 相流问题，其二相流流动特性是学者们研究的热点，但是一直未被人们掌握。传 统的喷嘴都是简单的圆形直喷嘴，或收缩一直喷嘴，或是没有过度特征曲线流道 的喷嘴，其流道型线过于简单，没有产生流线的效果，那么，对于现如今少数学 者提出的流线型喷嘴，它是否也十分适合前混式和后混式的切割头呢? 带着这个 问题，本课题在前人研究的基础上，利用计算流体力学理论设计出具有收缩段、 过渡段和扩散段的仿l a v a l 的喷嘴，探讨这种仿l a v a l 结构的喷嘴最适合做哪种形 式的喷嘴，分别从单相流和液一固二相流的特性入手，研究单相流和液固二相流 的湍流流动，弄清喷嘴内外流动特性和影响因素，对喷嘴内外的湍流流动进行计 算和数值模拟，对设计流场特性较优的喷嘴进行参数优化，为喷嘴的结构设计理 论与方法提供理论依据。 1 4 1本文研究的主要内容 1 根据本课题的研究目的，将多相式曲线引入到喷嘴设计中来，设计出具有 收缩段、过渡段和扩散段的仿l a v a l 新型喷嘴。依据计算流体力学理论，从传统喷 1 3 江苏大学硕士学位论文 嘴结构入手，通过改变喷嘴孔直径、长径比、入口角与扩散角等参数，以及加入 过渡流道型线，设计出了仿l a v a l 新型喷嘴结构。 2 建立单相流和液一固二相流基本方程及湍流模型。首先，给出了物理平面 上，圆柱轴对称坐标系下适合于单相流和液一固二相流动的多流体模型封闭方程， 它包括流体相的连续性方程、动量方程、湍能方程、湍动能耗散率方程和颗粒相 的扩散方程、动量方程、湍动能方程，导出计算平面上颗粒相诸控制方程的混合 有限分析形式；最后，对从不同流道型线喷嘴射出的高压磨料水射流进行数值模 拟。 3 对各个喷嘴在单相和液一固二相流情况下，所产生的流场进行比较分析。 分析比较各个喷嘴在单相流和二相流情况下的射流流道特性，寻求最适合于后混 式和前混式的喷嘴。将以往的单一理论研究，单一数值模拟相结合起来，以实现 研究的完整性。 4 引入t a g u c h i ( 田口方法) ，对较优的喷嘴的结构参数进行参数优化。优化 出最佳组合的参数。最终以完善的研究分析格式达到本课题的研究目的。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 1 射流机理概述 第二章喷嘴的设计 喷嘴的功能是将具有极高静压的水，通过小孔转化为高速的水射流。要优化 设计出高性能的喷嘴，首先要彻底地分析水射流的机理。研究射流的动力学特性 及其结构，尤其是对高压水射流的研究，是流体力学最为复杂的内容之一。因为 由喷嘴所产生的射流的压力及喷嘴本身的性能干变万化，加上射流在周围的介质 中传播的复杂性及试验条件的限制，使得对水射流结构及特性的研究并部十分彻 底。 高压连续水射流分淹没水射流与非淹没水射