【《某新型喷砂器喷嘴设计与优化案例》4000字】

某新型喷砂器喷嘴设计与优化案例目录TOC\o"1-3"\h\u29792某新型喷砂器喷嘴设计与优化案例 1132791.1新型喷砂器的三维建模图 110581.2FLUENT对喷嘴数值模拟及优化分析 2170331.2.1前处理及网格划分 2101001.2.2Fluent计算及结果分析 3202871.3不同直径对流场与粒子速度的影响 3285191.1.1不同喉长对流场与粒子速度的影响 4140221.1.2不同喉宽对流场与粒子速度的影响 6240231.4不同入口气压对流场与粒子的速度影响 8212541.5不同喷料对流场与粒子的速度影响 101.1新型喷砂器的三维建模图图3-1喷砂器的尺寸大小设计图喷砂器的设计采用了常用的环保型喷砂器的喷头设计，保留环保型喷砂器原有的尺寸大小，在本次设计中进行优化设计，及初定喷砂器物理模型的尺寸大小。图3-2喷砂器物理模型新型喷砂器使用了ANSYS里的几何工具Spaceclaim（SCDM）进行前期建模，以本设计优化具有回收功能的喷砂机喷嘴，进行初步物理模型模拟。1.2FLUENT对喷嘴数值模拟及优化分析1.2.1前处理及网格划分一般采用解析和数值方法对流场进行分析。对于复杂的流场，采用解析方法求解是比较困难的，所以通常采用数值方法求解。计算流体力学中CFD的数值解主要有有限差分FDM,FVM，有限元FEM,FAM，谱分析FAM，数值积分变换等。鉴于叶片壁面为不规则面，本文采用有限体积法(FVM)模型对叶片壁面进行了数值模拟，并用FLUENT软件对其进行了数值计算。支持多种网格结构的FLUENT结构解法器。在二维问题中，可以使用三角形网格，四边形网格和混合网格。在三维问题中，可以采用四面体单元、六面体单元、金字塔单元、楔形单元及二者的混合。为了提高流场模拟计算的精度和稳定性，需要高质量的网格：①在选择网格结构时，需要综合考虑模拟模型的形状、计算时间及数值耗散。FLUENT不能计算负体体积，对于包含不规则部分的复杂几何模型，必须进行适当的切削，并尽可能利用结构网格来避免负体的产生。在选择网格尺寸时，要综合考虑分析数据类型、计算精度、计算时间和计算机存储器容量。小网格计算机占用更多的内存和更慢的计算速度，网格质量包括节点分布、平滑度和倾斜角，在模型网格划分完成后，需要检查网格质量。进行数值分析时，网格划分至关重要，网格的质量直接关系到分析结果的正确性和精度。本文采用FLUENT前处理软件SDCM和FLUENT-meshing对流道进行前处理和网格划分，流道网格图如图3-3所示。整个流道计算域采用多面体核心网格，共划分为252942个单元，网格质量0.798。图3-3流域网络1.2.2Fluent计算及结果分析藕合式求解器(coupledsolver)同时求解连续方程、动量方程及组分输送方程的藕合方程组。压力项采用二阶格式，动量项、湍流动能项均采用二阶迎风格式，选择默认的松弛因子。在进行流场数值分析之前，须求解初始化。本文选择标准迭代方式进行求解，设置迭代计算从入口端面为起始位置对流场求解初始化。1.3不同直径对流场与粒子速度的影响为研究不同直径对流场与粒子速度的影响，本次研究采取对喉长及喉宽对粒子速度的影响来具体细分出喷砂机不同直径下，会产生什么样的粒子速度变化。本次设计采用的是独立变量进行每一部分的分析及报告，为更具体的研究不同直径对流场与粒子速度的影响，对喷砂器喷嘴的研究，采用不同喉长对粒子速度与流场的影响分析报告，分析直径对流场与粒子速度的影响[23]。要分析不同直径对流场与粒子速度的影响，更详细的方法可以分析不同喉长与喉宽对粒子速度的影响，从而分析不同直径的影响。1.1.1不同喉长对流场与粒子速度的影响选取收缩角为35°喉长为20mm的喷嘴作为对比，分别模拟仿真喉长为30m与40mm的喷嘴，以观察不同喉长对流场和颗粒速度的影响。图3-330喉长速度云图图3-440喉长速度云图图3-530喉长压力云图图3-640喉长压力云图对比喉长分别为20m30m40可以发现，随着喉长从20到40之间增长气流速度也会略微增加，但其增长率会逐渐的下降。而喷嘴内的压力随着喉长增加逐渐降低。下图3-7和3-8是沿轴心线位置的马赫数曲线图和压力曲线图分析其曲线可知，速度在入口40mm处速度的增长率比较缓慢，分析其原因是因为入口处压力梯度变化不大，且靠近喷嘴入口为圆柱状段。但是在靠近喉部入口约5mm处，气流的速度会急剧增加。随后气流进入喉部着喉部的长度的增加气流在喉部出口出的速度并没有显著的提升。相反，其速度的增长率反而下降，当气流进入扩散段后，沿轴心线的气流速度没有显著的变换。其马赫数随轴心线的变化曲线如图3-7所示。分析其轴心线的压力曲线可知，在气流进入喉部之间，不同喉长上沿轴心线上的压力曲线几乎重合，而喉部的轴心线上的压力随着喉长的增加，压力梯度逐渐减小，而扩散角的压力曲线也几乎没什么区别。其压力随轴心线变化曲线图3-8所示。图3-7马赫数随轴向变化曲线图3-8压力随轴向变化曲线表3-1不同喉长喷嘴性能参数对比观测喉长对粒子速度的影响可以得到，随着喉长的增加，粒子速度会逐渐增加，这是因为砂料颗粒被气流的加速推动的时间变长，因此获得的动能也会增加。1.1.2不同喉宽对流场与粒子速度的影响选取收缩角为35°、喉长为20mm、喉宽为2mm的喷嘴作为对比，分别模拟仿真喉宽为3mm与4mm的喷嘴，以观察不同喉宽对流场和颗粒速度的影响。4-13和图4-14分别为3mm喉宽压力云图和4mm喉宽压力云图4-15和4-16别为3mm喉宽速度云图和4mm喉宽速度云图。图3-93mm喉宽压力云图图3-104mm喉宽压力云图图3-113mm喉宽速度云图图3-124mm喉宽速度云图由对比图3-9、图3-10气体压力云图可知，气体压力在喷嘴内由大到小呈梯度变化，随着喷嘴喉部宽度的增加，在喷嘴出口沿轴线方向高低压区交错分布越明显，且这种高低压也逐渐被拉长。无论哪种喉宽，越向下游发展，高压区压力值逐渐减小，低压区的压力值增大，直到达到与环境相同压。对比图3-11、图3-12可以发现，随着喉宽的增加，马赫盘的直径逐渐增大，总压损失逐渐减小，喷流相对于喷嘴喷射速度大小也逐渐拉长。图3-13马赫数随轴向位置曲线图3-14压力随轴向位置曲线分析喉宽为2mm、3mm、4mm的喷嘴粒子轨迹可知，随着喉宽的逐渐增加，其最大速度有了明显的提高。同时，喉部宽度的增加，单位时间内喷出的砂料也会增加，因此喉部宽度是提高喷砂效率的重要因素之一。图3-153mm喉宽粒子轨迹图图3-164mm喉宽粒子轨迹图观测图3-15和图3-16喷嘴的粒子速度轨迹图可得到，在喷嘴带有收缩角的方向上，粒子会因为与收缩角喷嘴而发生速度方向改变，从喷嘴喷出后速度基本不变。在中心线附近，因砂料未与喷嘴壁面发生碰撞，从喷嘴喷出后速度大小会在气流的推动下继续加大。其不同喉宽随喷嘴轴向位置速度图如下图所示。图3-17粒子速度对比图对原喷嘴及喉宽分别为2mm、3mm、4mm的新型喷嘴在耗气量、最大马赫数及粒子最大速度进行对比得出下表。从表可以得出推测，当喷嘴的喉部宽度在2.7mm左右时，消耗的气量和原喷嘴基本相同，但是喷射速度在82m/s左右。1.4不同入口气压对流场与粒子的速度影响在进行喷砂机喷砂实验时，通常使用调节不同功率来控制喷料喷出时的动能，方便针对不同的对象进行除锈工艺环节。不同的入口气压也会导致喷砂内流场的变化，影响粒子的速度，对喷砂机冲蚀的方向也会有所差别。使用Fluent模拟不同入口气压对流场与粒子速度的影响，进一步模拟喷砂器的冲蚀效果，分析得到的冲蚀云图，方便对喷砂器喷嘴进行优化。粒子速度与气压的流场分析采用解析法和数值法，分析复杂的流场时，如果采用解析法对流场求解的难度会很大，所以本次采用数值法求解。由于壁面为不规则面，所以本次Fluent模拟设计所建立的流场模型用有限体积法，采用Fluent软件对该流场进行模拟计算。在模拟仿真中，模拟采用基于密度基求解器，以稳态法求解，气象控制方程采用standardκ-ε粘性模型，固体颗粒及冲蚀磨损采用DPM模型，以粘度1.789e-05Pa.s，喷料颗粒为steel，直径为0.5mm密度为8029kg/m³入口速度为1m/s。入口用Pressure-inlet，入口气压分别为0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，由于压力脉动会引起误差，为减少误差，设置工作压力为0。进口温度设置成300K，使用本设计的物理模型及网格质量，共划分为252942个单元，网格质量0.798。不同入口气压下，流场与粒子的速度变化：表3-2气压MPa0.5MPa0.6MPa0.7MPa速度m/s62.1m/s71.4m/s85.7m/s图3-18速度云图根据Fluent的模拟仿真结果，入口气压越大，喷料的出口速度越快，同时到这部分还没作出冲蚀磨损的分析，在粒子速度越大，喷射动量越高的情况下，对喷砂器的磨损也是一个非常重要的研究环节。图3-19入口气压为0.6MPa速度图图3-20入口气压为0.7MPa速度图在粒子喷射流线图3-21中，不同的入口气压也会相应有所偏差，但是粒子的喷射流线图总体上还是相差不大，，但是由于入口气压的变大，喷砂器工作时，喷出的喷料会产生更大的动力，在粒子喷射轨迹中集中的地方在喷嘴部分，致使喷嘴在更高的入口气压下磨损的速度增加很多，更快的缩短喷砂器的使用寿命。经实验的对比，在0.6MPa的入口气压下（图3-19、图3-20），喷砂器的使用寿命与工作效率是最优的选择。1.5不同喷料对流场与粒子的速度影响在环保型喷砂机的使用过程中，针对不同的除锈对象也会使用不同的喷料，但总体上，每一种喷料的选择都有一个重要的影响参数，那就是密度，不同喷料密度的不同影响着喷砂器工作的除锈压力。图3-21粒子喷射流线图图3-22喷嘴的速度云图由图3-22可以知道，在喷嘴收缩段约34mm处，密度与速度的梯度比较大，当速度逐渐增大时，密度逐渐减小，变化率也是一个之间变大的过程。当在喷嘴上端出口59mm~69mm处，速度的增加和密度的减少异常快速，呈现线性的减少和增加。因为喷嘴的壁面具有一定粗糙度，但是入口气体具有相对应的粘性，气体会和喷嘴管壁产生摩擦，密度延出口段下降而降低。在达到100mm处时，速度与密度到达峰值，但是与69mm处峰值持平。这一部分的仿真设计，使用三种不同喷料（铜矿砂、石英砂、铁砂），以不同的密度，在喷砂器里面，使用固定的入口压力与速度，使用ANSYS里的DPM进行模拟分析喷料对喷砂器壁面的冲蚀程度。模拟分析得，喷料在离开喷嘴后，部分喷料并未与壁面发生碰撞，未与壁面发生碰撞的喷料不会对喷砂器造成冲蚀，其速度还会相对有所增加，而与壁面发生碰撞的喷料，由于喷料密度的不同，对壁面也产生不同程度的冲蚀磨损。对磨损速率的定义：材料铜矿砂