（机械制造及其自动化专业论文）非淹没式精密微磨料水射流流场仿真及实验验证.pdf

摘要 非淹没式精密微磨料水射流流场仿真及实验验证水 摘要 目前对高压磨料水射流的研究较多，而对非淹没式微磨料水射流的研究则 较少。本文采用计算流体力学仿真软件f l u e n t 计算分析流场状态，有利于 对其进行结构改进，为微磨料水射流的加工提供理论依据。 本文主要研究了纯水射流和微磨料水射流两种情况下喷嘴内外流场分布状 态。对水喷嘴内部进行了稳态仿真，并采用体积流量进行了验证。 对混合室和混合管内部进行了气、液、固三相瞬态仿真。通过观察连续相 的流场分布状态，发现在混合室高速水柱两侧气液界面处存在漩涡。锥段末端 处存在大量低速水，这可能是造成射流容易中断的主要原因。对锥段处的结构 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，积水现象得以改善。同时发现在磨料加入的瞬间，大部 分磨料被漩涡聚集到混合室中磨料入口左侧附近区域，而且由于高速水柱的阻 挡，磨料很难越过水柱到达对面，混合室中磨料入口对面区域几乎没有磨料。 随着射流时间的延长，磨料与连续相的混合效果越来越好。通过读取逃逸时间 可计算出比较合理的供料周期。 对外流场进行了仿真，并利用压电晶体测力仪对其速度场进行了实验验 证，结果表明，仿真结果与实验结果较吻合，其误差大约为1 3 ，证明了仿 真方法的正确性。 关键词非淹没式微磨料水射流；瞬态流场仿真；喷嘴；c f d 仿真 术山东省自然科学基金重点项目资助( z 2 0 0 5 f 0 2 ) v a b s t r a c t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no nt h ef l o w f i e l di n s i d ea n do u t s i d et h en o z z l eo fn o n s u b m e r s e dp r e c i s i o nm i c r oa b r a s i v ew a t e r je t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p r e v i o u sr e s e a r c hw a sf o c u s e do nt h eh i g l lp r e s s u r ea b r a s i v e w a t e r j e ta n dp l e n t i f u lr e s u l t sw e r ea v a i l a b l e ，h o w e v e r , t h er e s e a r c ho nn o n - s u b m e r s e dm i c r oa b r a s i v ew a t e r j e tw a ss e l d o m e l yc a r r i e do u t t h es t a t eo ff l o w f i e l dw a sc o m p u t e da n da n a l y z e db yu s i n gt h es o f t w a r eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s m f l u e n t , w h i c hw a sc o n v e n i e n tt ot h es t r u c t u r a li m p r o v e m e n ta n d s u p p l i e dt h ea c a d e m i c se v i d e n c e sf o rt h em a c h i n i n go ft h em i c r oa b r a s i v ew a t e r j e t f l o wf i e l d si n s i d ea n do u t s i d et h en o z z l eo fb o t ht h ep u r ew a t e r je ta n dt h e m i c r ow a t e r j e tw e r em a i n l ys t u d i e d s i m u l a t i o nw a sm a d eo nt h ei n t e r i o ro ft h e o r i f i c ea n dv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y u n s t e a d ys t a t es i m u l a t i o no nt h et r i p h a s eo fg a s ，l i q u i da n ds o l i dw a sm a d e b yo b s e r v i n gt h ef l o wf i e l do fc o n t i n u o u sp h a s e ，i tw a sn o t e d t h a tt h e r ew e r em u l t i - s w i r l sa tt h el i q u i d - g a sb o u n d a r yo fh i g hs p e e dw a t e r je t a tt h ee n do fc o n e ，t h e r e w a sm u c hl o w v e l o c i t yw a t e r , w h i c hw a sp e r h a p st h ep r i m a r yr e a s o nf o rt h ee a s y i n t e r r u p t i o no fw a t e r je t t h es t r u c t u r eo fc o n ew a si m p r o v e db ya u g m e n t i n gt h e c o n v e r g e da n g l e ，m i n i s h i n gt h el e n g t ho fc o n ea n dr e m a i n i n gt h eo t h e rp a r a m e t e r s u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ew a t e r je tv e l o c i t yi n t h ee n do ft h ec o n eh a v e b e e ni n c r e a s e do b v i o u s l ya n dt h es t a t eo fs e e p e rh a v e b e e n i m p r o v e d s i m u l t a n e o u s l y , i nt h ei n c i p i e n tt i m eo ft h em i c r oa b r a s i v e s a d d i t i o n ， m o s ta b r a s i v e sw e r ed r a g g e di n t ot h el e f tc o m e ro ft h ea b r a s i v ei n l e ti nt h em i x i n g c h a m b e r , a n dt h ea b r a s i v e sw e r eh a r dt oa r r i v ei nt h eo p p o s i t eo ft h ea b r a s i v ei n l e t 木s u p p o r t e db yk e yp r o j e c t o f s h a n d o n g n a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n ( z 2 0 0 5 f 0 2 ) v i i b e c a u s eo ft h er e s i s t a n c eo ft h eh i g hs p e e d w a t e r j e t ，s ot h e r ew a sh a r d l ya n y a b r a s i v e si nt h i sr e g i o n w i t ht h et i m ep a s s i n g ，t h em i x i n ge f f e c to f a b r a s i v e sw i t h t h ec o n t i n u o u sp h a s ew a sb e t t e ra n d b e t t e r m o r e o v e r , w ec a l lc a l c u l a t ear e a s o n a b l e f e e d i n ga b r a s i v e s c y c l eb yt h ea v e r a g ee s c a p et i m eg o tb yt h es i m u l a t i o n s i m u l a t i o no u t s i d et h en o z z l ew a sm a d ea n dv e r i f i e db ys u r v e y i n gt h ev e l o c i t y f i e l dw i t hap i e z o c r y s t a lf o r c ee q u i p m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev a l u e so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r er e l a t i v e l yc o n s i s t e n ta n dt h ee r r o ri s a b o u t13 w h i c h p r o v e dt h a tt h em e t h o do fs i m u l a t i o nw a sc o r r e c t k e y w o r d sn o n 。s u b m e r s e dm i c r oa b r a s i v e w a t e r j e t ，u n s t e a d yf l o wf i e l d s i m u l a t i o n ，n o z z l e ，c f ds i m u l a t i o n v i i i 论文中主要符号及意义 论文中主要符号及意义 水射流的冲击面积，m 2 ； 一一水喷嘴的出1 3 面积， m 2 ： 系数； ，心 m i m 阻力系数； 丑，咒，尸，p 直径，i n ； 水喷嘴直径，m m ； 射流束直径，m ； 混合管直径，n l m ； 水喷嘴直径，m ： 磨料喷嘴直径，m ： 系数； 一一纯水射流对工件的冲击 力，n ； 一一微磨料水射流对工件的 冲击力，n ： 一一水射流对工件的冲击 力，n ； 切割深度，m ； 湍动能，m 2 i s 2 ； k l ，k 2 ，毛系数； ，喷嘴圆柱段长度，m ： 喷嘴长度，r a m ： 厶混合软管的长度，m ； 磨料流量，g s 磨料流量，k g s ： 材料的a w j 加工性能 系数； 压力，p a ； 昂水压力，m p a ； q 体积流量，m 3 s ； q ，r o f u 质量流量，k g s ： 半径，m ； 时间，s ； 射流横移速度，n d s ： 1 ，吒，匕，屹流体的速度，m s ； 炀 嘭 v l v | 形 峨 五 x 一一高压腔断面的平均流 速，m s ； 磨料速度，l n s ； 空气的速度，m s 一一水喷嘴出口流速， m s ： 一一水射流的冲击工件的 速度，r i d s ； 体积，m 3 ； 一一喷嘴重量损失率， g r a i n r a m ： 一一第f 个时刻的冲击 力，n ； 一一前个冲击力的平均 值，n ； i x s 如4 g d 面 吒 以 岛 域 五 五 最 矗办 七 x q ，吧系数； 射流的冲撞区域面积与水喷嘴出 口面积之比： 湍动能耗散率，m 2 s 3 ： 水喷嘴内部的能量损失系数； 动能修正系数； 流体的动力黏度，p a s ： 粘性系数； 流体的密度，k g m 3 ： 成磨料的密度，k g m 3 ； 风空气的密度，k g m 3 ； 风水的密度，k g m 3 ； 物理量瞬时值； 歹物理量时均值； 物理量脉动值； 盯，盯一一冲击力的有效值， n ； 缈 一一考虑回流的修正系 数： 口 8 m n 以 旯 原创性声明 本人郑重声明：p - ) f 呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 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科研 成果。对本文的研究作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责任由本人承担。 论文作者签名：二刻陋 日期：趋_ 止卅 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：半聊签超日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 磨料水射流加工技术的研究现状 1 1 1 磨料水射流加工技术的概述 水射流技术是近三十年来迅速发展起来的一门新技术。第一次使用高压水 射流技术是1 9 世纪中叶在北美开采矿床【l 】。随着技术的发展，人们逐渐认识 到，提高压力可以显著采矿效果，于是人们开始研究高压水射流技术【2 】。到上 世纪7 0 年代末，水射流技术出现一个新的转向，即从单一提高射流压力转向 研究如何提高和发挥水射流的威力，开始出现了磨料射流、脉冲射流、高温射 流和摆振射流囝。 水射流切割有以下一些优点：切割中无粉尘与烟雾污染；不会产生热变 型；不需刃磨刀具，不需调整更换刀具；容易实现自动化；可加工热切削无法 加工的材料，且不受材料厚度的限制；切缝小，切割质量好，成本低等。由于 水射流切割技术有如上所述的优点，所以受到工程技术界广泛重视【3 】。在工业 中推广应用，它与激光束、电子束和等离子切割，合称现代工业切割的四大高 新技术。水射流除用于切割之外，还可用于除锈、清洗等方面，涉及到医学、 国防、机械、城建等许多领域【2 】。 水射流按照水中是否混有磨粒可以分为纯水射流和磨料水射流。纯水射流 加工能力差，主要加工柔软材料和一些薄的硬材料，例如泡沫塑料、纸张、合 成材料、电路板等。磨料水射流则可切割任何材料。一般来说，切割钛、铝合 金、高强度钢、陶瓷均使用磨料水射流切割方法【3 】。磨料水射流在物料切割时 起主要作用的是磨料流，而水作为磨料粒子的载体，在物料切割仅仅充当一个 次要角色【4 1 。 磨料水射流根据水和磨料的混和方式的不同可以分为前混合磨料水射流和 后混合磨料水射流。 ( 1 ) 前混合磨料水射流。磨料和水先在高压管路中均匀混合成磨料浆水， 然后经喷嘴而形成的液固两相介质射流，这种混合效果好，所需要的压力比较 低，但是装置比较复杂，切缝较引5 6 1 。 ( 2 ) 后混合磨料水射流。在水射流形成后加入磨料，在高速射流的卷积作 山东大学硕卜学位论文 用下，混合室产生一定的真空度，使磨料在压力差和自重的情况下进入混合 室。此外水射流可以对磨料进行的冲刷作用也有助于磨料混入射流，但是高抽 吸作用吸入的磨料很难进入主射流的中心部分，磨料得不到很好的加速。同时 磨料以较低的初始速度与高速水射流相互接触发生的情况是随机的，明显降低 了水介质对磨料能量传输效率，混合效果差【7 矽】。但它结构简单，喷嘴磨损 小，通常所说的磨料水射流也就是指后混合磨料水射流【1 0 】。 1 1 2 磨料水射流设备的研究现状 磨料水射流切割系统有如下部分组成： 1 1 2 1 液压系统 液压系统主要由油压部分、水压部分以及辅助设备等组成，其主要作用是 提供稳定的高压水 2 1 。以p h 值为6 8 、精滤且压力为o 4 0 9 m p a 的软化水或 反渗水、混合层软水供给增压系统。水质将影响喷嘴的使用寿命和整个机器的 工作质量。水在4 0 0 m p a 下会产生大约1 2 的收缩，蓄能器的功能是补充其收 缩，使水压变化保持在5 之内，以维持输送连续、稳定的流体到喷嘴【5 】。 1 1 2 2 喷头 喷头的主要部件是喷嘴，纯水切割头包括高压水开关阀，水喷嘴。磨料水 射流还包括使磨料与水相混合的混合室，以及混合后的喷嘴【l l 】，如图1 1 所 示。喷嘴是磨料水射流的关键部件之一，喷嘴材料必须具有高硬度、高耐磨 性，3 n t 方法按原理可分为机械加工和特种加工两大类。迄今为止，喷嘴的设 计和使用寿命仍未达到满意的程度【1 2 】。 2 第1 章绪论 图卜l 切割头装置【1 1 】 ( 1 ) 喷嘴内部几何形状和尺寸是影响磨料水射流结构和动力特性的主要因 素之一。尤其是在系统基本参数一定情况下，改变喷嘴的内部形状和尺寸是调 整和优化射流结构，加速磨料颗粒速度，提高射流冲蚀性能，获得最佳切割效 果的主要手段。常用喷嘴内部基本结构如图1 2 所示，分为圆锥收敛型喷嘴、 圆锥带圆柱段型喷嘴和流线型喷嘴【1 3 】。刘敏【1 3 通过大量的实验发现圆锥带圆 柱段型喷嘴收缩角o f = 1 3 。，圆柱段长径比为l d = 2 5 3 ，收缩段与入口和出口圆 柱段采取平滑过渡的倒角的时候，喷嘴的加速性能和收敛性能最佳。r 小林【1 4 】 证明收敛型喷嘴和喷管型喷嘴使试样产生的质量损失差别很小，但是喷管型喷 嘴获得最大质量损失的靶距要远远小于收敛型喷嘴。比较合适的喷嘴形状为： 对于收敛型喷嘴，口= 1 3 。，= 4 d ；对于喷管型喷嘴，2 d 。出口扩散角大 于3 0 。时对水射流的形成没有影响，如图1 3 所示。樊军庆等【l5 】基于v b 优 化设计针型喷嘴的入1 2 1 角，利用有限的实验数据建立数学模型，并对其进行优 化，可以在一定的压力条件下，使喷嘴的输出功率达到最大值，从而达到提高 水射流效率及降低能耗的目的。 3 山东大学硕j ：学位论文 ( a ) 圆锥收敛型喷嘴 獭 b f 旒 ， l 、 ( b ) 圆锥带圆柱段型喷嘴( c ) 流线型喷嘴 图1 2 喷嘴结构【1 3 】 图1 - 3 喷嘴形状简图【1 4 1 此外，许多研究者探索了淹没条件下不同喷嘴类型及不同工作条件下对射 流性能的影响：l e a c h 和w a l k e r 1 6 】的研究结果表明，锥形收缩角为1 3 。时， 射流产生最大的冲击压力。而v o i t s e k h o v s k y 等【l 刀认为，锥形收缩角为3 - - 4 。 时，射流束发散最小。l e a c h 、w a l k e r 和v o i t s e k h o v s k y 认为，从射流冲击压力 和发散性来看，圆柱形出口段长度是喷嘴直径的3 - - 一4 倍时，射流效果最好。 y a n gg e u n y o u n g 1 8 】等运用实验方法得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部流道型线有关。b a r k e r 1 9 j 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 3 l8 0 。) 和 喷嘴圆柱形部分长度( o 5 4 倍喷嘴直径) ，得出了最好的喷嘴锥角是6 0 。，圆 柱段长度为喷嘴直径o 5 倍。由此可以得出，最佳的入口锥角和圆柱段长度与 实验条件密切相关，实验条件不同，结果不同【2 。 ( 2 ) 喷嘴的磨损机理十分复杂。张凤莲【2 l 】发现在磨料喷嘴磨损中起决定作 用的是磨料磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损和扩散磨损。赵民【2 2 】发现高压磨料水 4 第1 章绪论 喷嘴的磨损主要因素是制造喷嘴材料、表面硬度和工艺参数。m a d h u s a r a t h i n a n d u r i 2 3 1 等在实验的基础上提出了针对w c c o 材质的喷嘴的磨损模型： 州8 0 7 e - 4 ) 等等 ( 1 - ) 式中，民喷嘴重量损失率( 咖i i l i n n l ) ； 昂水压力( m p a ) ； 蟊为水喷嘴直径( m i l l ) ； 或混合管直径( m m ) ； 三为喷嘴长度( m m ) ； 职为磨料流量( s ) 。 1 1 2 3 辅助剂供给及控制系统 其作用是向射流中加入一定量的磨料或化学添加剂以提高射流性能、切割 效率【2 】o 1 1 2 4 数控系统 数控系统控制工件与喷头的相对运动，使切割运动按给定的轨迹进行【2 1 。 1 1 2 5 废液回收处理系统 主要负责回收废液，使磨料、化学添加剂循环使用，不至于污染环境【2 1 。 1 1 3 磨料水射流加工机理的研究现状 磨料水射流加工工件的过程受到很多因素的影响，如材料的性质，加工工 艺参数，设备结构参数等，所以其加工机理极为复杂。尽管国内外很多学者 8 j o , 2 4 - 3 3 对此进行了大量的研究，也取得了一些有益的结论，但仍没有形成统 一的理论。其中比较著名的是美国学者m h a s h i s h 2 7 1 提出的针对韧性材料的 剪切冲蚀和变形磨损理论，他认为韧性材料的去除机理为小角度冲击下的切割 磨损和大角度冲击下的变形磨损。d a r o l a 和m r 锄u l u 【3 4 】研究了磨料水射流 对金属加工后的表面特征发现，亚表面发生了塑性变形和硬化现象，变形的深 度和硬化程度与金属本身的性质和冲击角度有很大关系。宋拥政等【2 4 1 认为磨 料水射流切割塑性材料是一种犁沟磨削过程，切割脆性材料则是一种冲蚀断裂 过程。杨林等【3 3 1 认为磨料水射流切割塑性材料是以切割磨削和塑性破坏为 山东大学硕卜学位论文 主，而且各脆性材料以变形磨削和脆性破坏为主。龚烈航等【2 6 】认为材料磨蚀 主要由冲蚀磨损、气蚀破坏以及它们的共混蚀损造成的。还有学者认为当磨料 的入射速度超过门限值时，将多在磨料冲击部位存在缺陷处产生径向或横向的 裂纹，此时一般不发生材料的剥落。大量连续不断的磨料冲击起到循环加载作 用，促进了新裂纹的产生和旧裂纹的扩展。同时，裂纹形成后，高压水进入裂 纹空间，带有锋利棱角的磨料对陶瓷产生微切削的作用，在水楔的作用下裂纹 尖端产生拉应力集中，促进裂纹快速扩展【8 , 2 8 】。 1 1 4 磨料水射流加工工艺的研究现状 材料的切割深度、切口宽度、冲蚀量等几何参数表征了磨料水射流的切割 性能【3 5 】。影响磨料水射流加工性能的参数：动力学参数( 水射流系统压力、水 喷嘴直径) ；磨料参数( 磨料材料、大小、流量、形状) ；工艺参数( 进给速度、 靶距、走刀次数、冲击角度) ；工件参数( 强度、硬度、组织的致密度) 等，且 有的因素间还存在显著的交互作用，这给实验研究带来了困难【8 , 3 6 - 3 9 】。 很多学者3 8 , 4 0 - 4 1 1 研究了工艺参数对切割深度的影响。可以归纳为：随着喷 射压力的增大，切削深度明显增大。但切割中的最大喷射压力是由设备性能决 定的，并不能无限增大。随着横移速度的增大，单位时间内磨料水射流对被切 割材料的有效打击次数越少，材料获得冲击能越少，切割深度就越小。靶距存 在一个界限值，当靶距小于这个界限值，切深大致相等，稍减少。在磨料水射 流切割中，磨料对材料的切割作用达到9 0 以上，磨料供给量、磨料的粒度 和种类是主要的影响因素。磨料流量增加，切割深度增加。 有学者建立了2 n - r n 度模型，j w a n g 4 2 】建立a w j 加工聚合物基复合材料 时加工深度的预测模型，如式( 1 2 ) 所示。 办=型k,辩du 1 - - a 3 p w ( 1 - 2 ) ： 一， 式中，h 切割深度( m ) ； 忆磨料流量( k g s ) ； p 一一为射流压力( p a ) ； d i 射流束直径( m ) ； 【，射流横移速度( m s ) ； 6 第1 章绪论 风水的密度( k g m 3 ) ； 其余量为常数。 z e n g 和k i m 4 3 1 提出了经验模型并应用于实际a w j 产品的参数估计中，如 式( 1 3 ) 所示。 = 鼍擎 m 3 ， 式中，i i l 切割深度( m ) ； z 磨料材料系数，对石榴石，六= 1 ； m 材料的a w j 加工性能系数，对低碳钢，皿= 8 7 6 ； 或水喷嘴直径( m ) ； p 射流压力( p a ) ； 丝磨料流量( k g s ) ： u 为射流横移速度( 州s ) ； d n 为磨料喷嘴直径( m ) ； 常数c s = 7 3 7 。 徐丽梅和俞涛4 4 4 5 1 等人利用回归分析方法，建立了厚度与工作压力、进 给速度、磨料流量和靶距关系的数学模型，并进行误差分析。杨林等2 5 , 4 6 - 4 7 在 大量实验的基础上，以工件材料、射流压力和切割质量指标为输入，以切割直 线段速度为输出，采用基于数值优化的l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法建立了a w j 切割的神经网络( a n n ) 模型和t a k a g i s u g e n o 型自适应神经网络模糊推理系统 ( a n f i s ) 模型。 此外，有些学者发现采用多次切削既可以提高切削质量，也可以增加切削 效率【4 8 4 9 1 。采用喷嘴摆振技术可以提高加工效率，也可以相应的调节切割深 度与切割质量【5 0 搦】。采用倾角加工工艺时也可以改变切口宽度【5 4 1 。 1 2 微磨料水射流加工技术的研究现状 现代制造技术具有两大发展趋势，一是制造系统的自动化；二是精密微细 加工技术的开发与应用。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【5 5 1 。 在微机电系统的推动下，1 9 9 9 年英国d m i l l e r 等人在第十届美国水射流 山东大学硕【j 学位论文 会议上首次提出微型磨料水射流( m i c r oa b r a s i v ew a t e r j e t ) 加工技术。他们开发 的微型磨料水射流系统能在金属、玻璃、陶瓷、聚合物及复合材料上加工出复 杂图形。采用直径为5 8um 的喷嘴在5 0l am 后的钢板上加工出直径为8 5l am 的孔，采用3 0 0 n m 的磨料在厚度为5 0l am 的钢板上进行雕刻 5 6 1 。 微型磨料射流( 射流直径在1 0 0 11 tm 之间) 切割技术是一种全新的微型加 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、降尘、能量集中等独特的优点【5 7 铷】。微型磨料射流设备与普通 磨料射流设备相比要小得多，水与磨料的消耗量只占普通磨料射流的1 左 右，可以切割适用普通磨料射流切割的一切材料【5 7 l 。 微磨料水射流的关键技术主要包括【5 7 】： ( 1 ) 供料控制与防堵技术。对于微细磨料射流，由于流量和管路通径都很 小，所以突然停泵、操作失误都会造成管路堵塞。 ( 2 ) 微型喷嘴加工技术。现有的激光加工技术能够加工直径5 0 | l1 1 1 的喷 嘴，但其加工质量和成本一般难以接受。 ( 3 ) 射流在喷嘴内层流时，能量损失严重的问题。 相信随着研究的不断深入，微磨料水射流会在未来的加工领域中占有一席 之地。 1 3 应用计算流体力学进行水射流仿真的研究现状 计算流体力学c f d ( c o m p u t e df 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。目前比较流行的流体力学分析c f d 软件有 f l u e n t ，c f x ，p h o e n i c s 、s t a r c d 掣5 9 - 6 2 1 。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问 题的完整体系。理论分析方法的有点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素 清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往 往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论值。对于非线性情况， 第l 章绪论 只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得到的实验结果真实可信， 然而实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，还会遇 到经费投入、人力和物理的巨大耗费及周期长等许多困难。而c f d 方法恰好 克服了前面两种方法的弱点，在计算机上进行特定的计算，就可以分析流场的 分布规律p 9 1 。 传统的射流计算准确性差，往往需要大量的实验才能获得相对理想的结 果。高压水射流切割常涉及到非淹没连续自由射流，是固、液、气三相混合的 介质射流，机理复杂。除涉及经典流体力学外，更多地涉及到高速多相流、激 波、声阻抗等现代物理及流体动力理论。迄今很难完全利用纯解析法来研究和 分析。借助c f d 的思想和计算机仿真，我们能方便有效地分析射流的动静态 特性。这种可视化的方法不仅能使得流场可以定性的呈现，而且能定量的捕捉 到流场各处的速度、压力和各相耦合强度等重要参数，为我们在射流工具的设 计和优化方面提供了有效的手段【6 引。 侯荣国等人f 件6 6 1 通过对磨料水射流喷嘴内外流场的仿真，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。谢江汉等人【6 3 】利用c f d 的思想对高压水射流的 流场进行了可视化的模拟仿真。申焱等人 6 7 】利用有限元方法对高压水射流作 用的损伤模型进行等效应力仿真分析，再结合混凝土的破坏准则得出该模型破 坏所需的泵压力。何枫等人【6 8 】根据可压缩流体轴对称n s 方程，利用r n g k 一占湍流模式和有限体积法，并采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。庄蕾等人【6 9 】分析了一种典型的高压水射流 喷头的内部流场，并利用流体仿真软件对其进行数值仿真，根据仿真结果对其 内部结构进行了改进。l i a nl i a n 【7 0 】等人采用s i m p l e 算法对液固两相流进行 了动力学分析及仿真。 1 4 本课题研究的目的、意义及主要内容 目前对高压磨料水射流的研究比较多，而对于非淹没式微磨料水射流的研 究则很少。磨料与水主要是在混合室与混合管中混合的，应用f l u e n t 仿真 软件对其内部进行仿真，可以方便快捷地得到流场中各相的分布状态，尤其是 9 一 山东人学硕仁学位论文 在切割过程中起主要作用的磨料的分布情况，为微磨料水射流的实际加工提供 理论依据，使得微磨料水射流得到更大更好的发展。本文的主要研究内容如 下： ( 1 ) 在不同压力下，对水喷嘴内部流场进行三维仿真，分析其流动性质， 并进行实验验证。 ( 2 ) 对纯水射流和微磨料水射流的混合室和混合管内部流场进行二维瞬态 仿真。 ( 3 ) 对外流场进行瞬态仿真，并进行实验验证。 l o 第2 章计算流体力学原理与戍用 第2 章计算流体力学原理与应用 计算流体力学( c o m p u t e df l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 可以看作是在流动基 本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模 拟。通过这种模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置的基本物理 量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间变化的情况 【5 9 】 o 2 1 流体基本知识 2 1 1 层流与湍流 流体的运动可分为两种性质不同的类型：层流( 滞流) 和湍流( 紊流) 。流体 在管内作层流流动时，其质点沿管轴作有规则的平行运动，各质点互不碰撞， 互不混合。流体在管内作湍流流动时，其质点作不规则的杂乱运动，并相互碰 撞，产生大大小小的漩涡。由于质点碰撞而产生的附加阻力较由粘性所产生的 阻力大得多，所以碰撞将使流体前进阻力急剧加大【7 1 1 。 1 8 8 3 年雷诺首先研究了湍流，他发现从层流变为湍流，取决于粘性系 数、密度、速度和圆管直径的组合，即雷诺数r e 。 r e = p v d ( 2 1 ) 式中，p 流体的密度( k g m 3 ) ； ，流体的速度( i n s ) ； 流体的动力黏度( p a s ) ； d 圆管的直径( m ) 。 实验证明，流体在直管内流动时，当r e 4 0 0 0 时，流动类型属于湍流；而r e 值在2 0 0 0 4 0 0 0 的范围内， 可能是层流，也可能是湍流【7 1 1 。 2 1 2 定常与非定常流动 根据流体流动的物理量( 如速度、压力、温度等) 是否随时间变化，将流动 分为定常( s t e a d y ) 和非定常( u n s t e a d y ) 两大类。当流体的物理量不随时间变化， 山东大学硕l j 学位论文 即掣：0 时，为定常流动；当流动的物理量随时间变化，即掣0 ，则为非定 o td t 常流动。许多流体机械在启动或关机时的流体流动一般是非定常流动，而正常 运转时可看作定常流动5 9 1 。 2 2 计算流体力学基础知识与f l u e n t 仿真软件 2 2 1c f d 求解过程 无论是流动问题，还是传热问题，无论是稳态问题，还是瞬态问题，其 求解过程可以用图2 1 来表示【5 9 1 。 图2 - ic f d 工作流程图【5 9 】 2 2 1 1 建立控制方程 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定 律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同的成分的混合或相互 作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附 加的湍流输运方程。 由于湍流自身的流动是不稳定的，速度等流动特性是随机变化的，所以多 1 2 第2 章汁算流体力学原理弓应用 数观点认为，虽然瞬时的n s 动量守恒方程可以用于描述湍流，但n s 方程 的非线性使得用解析的方法精确描写三维时间相关的全部细节极端困难，即使 能真正得到这些细节，对于解决实际问题也没有太大的意思。这是因为，从工 程应用的观点上看，重要的是湍流所引起的平均流场的变化，是整体的效果， 所以，人们自然想到求解时均化的n s 方程，由此产生了r e y n o l d s 平均法。 物理量瞬时值矽、时均值歹及脉动值之间有如下关系：= + 。由于引进 新的未知量，而要使方程组封闭，必须对r e y n o l d s 应力做出某种假定，目前 常用的湍流模型有零方程模型、一方程模型、双方程模型、代数应力模型和雷 诺应力模型等。其中代数应力模型和雷诺应力模型最好，但实现起来最困难， k g 双方程模型求解起来相对容易，故在工程中被广泛应用。 七一占双方程模式湍流流动基本方程组【7 2 】： 连续方程： 害+ 下0 ( p v j ) ：o ( 2 - 2 ) 优 d x t 动量方程： 掣+ 掣一若+ 南c 蔷+ 篝卜弘3 ， 8 t8x t8x 8x 甲e l ax i8 x i j - j 6 一 、j 湍流动能方程： 掣+ 掣= 毒c - - 从云kc g 越x j + ”阡伊 ( 2 4 ， 呶 o xio x ； 湍流动能耗散率方程： 掣+掣=去【等鱼+沁r-pcs280t o x 妻r ( 2 - 5 )ox to x ks c j k 。托 式中，y ，比分速度矢量( 1 s ) 5 p ，丑，r 压力( p a ) ； 七湍动f l 邑( m 2 s 2 ) ； 占湍动能耗散率( m 2 s 3 ) ； 山东大学硕十学位论文 p 密度( k g m 3 ) ： 从粘性系数。 本课题拟采用以上方程作为控制方程来模拟磨料水射流喷嘴内外的流场。 2 2 1 2 确定边界条件与初始条件 初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提。对于瞬态问题，还必须 给定初始条件。 2 2 1 3 划分计算网格 f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件。它既可以生成结构网格、非结 构网格，也可以生成混合网格。本论文所有的模型都是采用g a m b i t 进行网 格划分的。 2 2 1 4 建立离散方程 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的，但是由于问题 的复杂性，一般很难获得方程的真解。因此，需要通过数值方法把计算域内有 限数量位置上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量 的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值。而计算域其它位 置上的值则根据节点位置上的值来确定。 由于所引入的因变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不 同，就形成了有限差分法、有限元法、有限体积法。 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 ) 是数值解法中最经典的方 法，它是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然 后将偏微分形式的控制方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未 知数的差分方程组( 代数方程组) 。求得的差分方程组的解就是偏微分方程定解 问题的数值近似解，因此它是一种将偏微分问题直接转化为代数问题的近似数 值解法。主要用于求解双曲型和抛物型问题，但是在求解边界条件复杂、尤其 是椭圆型问题时不占优势。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 与有限差分法都是广泛应用的流 体动力学数值计算方法。它是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微 小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分法或加权 余量法) ，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值 1 4 第2 章计算流体力学原理与应用 作为各单元的极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的 代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限元法的基础是 极值原理和划分插值，它吸收了有限差分法中离散处理的内涵，又采用了变分 计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法。它具有很广泛的适应性， 特别适用于几何及物理条件比较复杂的问题，而且便于程序的标准化。对椭圆 型方程问题有更好的适用性。 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 又称为控制体积法( c o n t r o l v o l u m em e t h o d ，简称f v m ) ，是目前应用最为广泛的一种方法，该方法是将 计算域划分为一系列控制体积，将待求解的偏微分方程对每一个控制体积进行 积分，从而得出离散方程，以求得数值解。该方法目前在c f d 领域得到了广 泛的应用，大多数商用c f d 软件都采用这种方法，本课题采用的f l u e n t 数 值模拟软件使用的就是这种方法。 对于瞬态问题，除了在空间域上的离散外，还要涉及在时间域上的离散。 2 2 1 5 离散初始条件与边界条件 前面给定的初始条件和边界条件是连续的，必须将连续型的初始条件和边 界条件转化为特定节点上的值。 2 2 1 6 给定求解控制参数 在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边 界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外，还要 给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。 2 2 1 7 求解离散方程 在进行上述设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。在商用c f d 软 件中，往往提供不同的解法，以适应不同类型的问题。 f l u e n t 提供的求解器有分离式和耦合式两种，这两种求解器都适用于 从不可压到高速可压的很大范围内的流动。分离式求解器占用的内存小，对于 求解高速可压流动、由强体积力( 如浮力或旋转力) 导致的强耦合流动，或者在 非常精细的网格上求解流动问题时，才考虑选用耦合式求解器。但是有些模型 在耦合求解器中是没有的，例如v o f 模型。本课题采用分离式求解器，采用 默认的隐式方案。 使用该方法，控制方程是分离解出的。因为控制方程是非线性和耦合的， 山东大学硕i j 学位论文 所以在得到收敛解之前，必须进行迭代。具体迭代步骤如下： ( 1 ) 在当前解的基础上，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初 始值来更新。 ( 2 ) 按顺序分别求解u 、v 和w 的动量方程得到速度场。 ( 3 ) 因为第二步得到的速度很可能不满足连续性方程，所以从连续性方程 和经过线形化的动量方程推导出压力校正方程。然后解出压力校正方程，获取 压力和速度场的修正值。 ( 4 ) 用前面更新过的变量的数值，解出湍流、能量、组分及辐射等标量。 ( 5 ) 当包含离散相的模拟时，可以对离散相轨迹进行计算来更新连续相的 源项。 ( 6 ) 检查设定方程的收敛性。如不收敛回到第一步，重复进行。 2 2 1 8 判断解的收敛性 由于数值精度的原因，数值计算方法求得的流动控制方程组的解与其精确 解之