高壓水射流的CFD仿真及分析

1、高壓水射流的CFD仿真及分析*陳春,聶松林,吳正江,李壯云(華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院,湖北武漢430074摘要:利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD的方法對(duì)高壓水射流進(jìn)行了多相流的數(shù)值模擬,側(cè)重研究在穩(wěn)態(tài)湍流下的兩相流和三相流條件下的水射流的動(dòng)態(tài)特性,比較分析了淹沒(méi)射流與非淹沒(méi)射流下磨料水射流與純水射流的區(qū)別,并對(duì)可視化的圖形圖像和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明,非淹沒(méi)條件下磨料水射流是高壓水切割工具的有效形式。關(guān)鍵詞:高壓水射流;多相流;淹沒(méi)流與非淹沒(méi)流;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-3881(20062-103-3A Study of High Pressure

2、Waterjet Characteristics by CFD SimulationCHEN Chun,NIE SongIin,WU Zhengjiang,LI Zhuangyun(MechanicaI Department,Huazhong University of Science&TechnoIogy,Wuhan Hubei430074,China Abstract:ComputationaI fIuid dynamics(CFDmethod was used to simuIate the muItiphase fIow fieId of high pressure water

3、-jet.The dynamic characteristics of abrasive waterjet,such as the water and particIe veIocities for the fIow downstream under steady state,turbuIent,two-phase and three-phase fIow conditions were studied.The jet-characteristics comparisons between high-pressure waterjet and abrasive waterjet were pe

4、rformed under submersion and non-submersion.The visuaIizing pictures and simuIation resuIts were anaIyzed and researched,and its numericaI resuIts show that abrasive waterjet under non-submersion is the major process for high pressure water cutting tooIs.Keywords:High pressure waterjet;MuItiphase fI

5、ow;Submerged jet and non-submerged jet;NumericaI simuIation!"前言高壓水射流切割技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型射流技術(shù),其切割原理就是利用幾十至幾百兆帕的磨料水,通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的、孔徑極小的噴嘴,以每秒幾百米的高速噴出磨料水射流的沖擊作用、剪切破斷作用和氣蝕作用來(lái)分割工件。水能切割,它不同于傳統(tǒng)的切削加工,水切割無(wú)切削熱,切割面變形小,無(wú)毛刺,生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染,工作環(huán)境友好,符合環(huán)保要求。傳統(tǒng)的射流計(jì)算準(zhǔn)確性差,往往需要大量的試驗(yàn)才能獲得相對(duì)理想的結(jié)果。高壓水射流切割常涉及到非淹沒(méi)連續(xù)自由射流,是固、液、氣三相混合的介質(zhì)射流,機(jī)

6、理復(fù)雜,它除涉及經(jīng)典流體力學(xué)外,更多地涉及到高速多相流、激波、聲阻抗等現(xiàn)代物理及流體動(dòng)力理論,迄今很難完全利用純解析法來(lái)研究和分析。借助CFD的思想和計(jì)算機(jī)仿真,我們能方便有效地分析射流的動(dòng)靜態(tài)特性,這種可視化的方法不僅能使得流場(chǎng)可以定性地呈現(xiàn),而且能定量地捕捉到流場(chǎng)各處的速度、壓力和各相耦合強(qiáng)度等重要參數(shù),為我們?cè)谏淞鞴ぞ叩脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化方面提供了有效的手段。#"模型的建立與計(jì)算1.1 網(wǎng)格劃分和條件設(shè)置考慮到射流條件的對(duì)稱性,在網(wǎng)格劃分和求解中可以采用2-D的軸對(duì)稱模型。圖1 模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖圖中:AB為噴嘴的出口及求解域的速度入口;BC為固定擋板;CD、DE為空氣壓力入口;AE為求

7、解域的對(duì)稱軸。仿真采用如下參數(shù)設(shè)置為:噴嘴直徑D= 0.8mm,流道圓錐型,噴嘴出口速度600800m/s;磨料柘榴石,磨料流量45kg/min,密度約3500kg/m3,顆粒直徑DP為0.1mm,0.15mm,0.25mm;空氣入口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,密度1.225kg/m3,動(dòng)力粘度1.78X10-5Pas,溫度20C;水密度1X103kg/m3,動(dòng)力粘度0.001Pas。1.2 數(shù)學(xué)模型模型中涉及到磨料顆粒、水、空氣三相的混合流動(dòng),水和空氣連續(xù)相采用歐拉多相流中的VOF模型,磨料與水的耦合作用采用離散相模型。流體相之間的界面跟蹤是通過(guò)求解一個(gè)或者多個(gè)容積組分的連續(xù)性方程而實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于G相,

8、連續(xù)性方程為:!G!W+”U"!G=S!G"G31*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金項(xiàng)目(50375056 一般情況下方程右邊的源項(xiàng)是0,容積組分方程對(duì)主要相是不求解的;主要容積組分基于以下限制條件計(jì)算:Z Ig =l g =l通常,對(duì)I 相系統(tǒng),容積比率平均密度采用如下形式: =Z g g一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)量方程在整域求解,得到速度場(chǎng)由這些相共享。動(dòng)量方程取決于通過(guò)屬性 和 的所有相的容積比率:!t ( ”1+!( ”1”1=-"p +" ("”1+"”1T+ ”g + F 射流流場(chǎng)處于高湍流狀態(tài),所以采用廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)k - 方程模型,湍流動(dòng)能方

9、程k 和耗散方程 :!t ( k +!x i ( ku i =!x j ( + t k !k !x j +G k +G b - -Y M +S k!t ( +!x i( u i =!x j ( + t ! !x j +C lk (G k +C 3 G b -C 2 2k+S方程中G k 表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能。G b 是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能,Y M 由于在可壓縮湍流中,過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng),C l 、C 2、C 3是常量, k 和 e 是k 方程和e 方程的湍流Prandtl 數(shù),S k 和S e 是用戶定義的。湍流速度 t 由下式確定 t = Ck 2其中,C 是常量。模型常量:

10、C l =l.44,C 2 =l.92,C =0.09, k =l.0, =l.3!"流場(chǎng)仿真及結(jié)果分析2.l 淹沒(méi)流與非淹沒(méi)流的比較淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流的射流結(jié)構(gòu)是不一樣的,淹沒(méi)射流以孔內(nèi)具有一定靜壓力的水為工作介質(zhì),摩阻大,在前進(jìn)過(guò)程中不斷卷吸周圍的液體向周圍擴(kuò)散,能量損失大,導(dǎo)致沿軸向速度衰減迅速。非淹沒(méi)射流在空氣中進(jìn)行,工作介質(zhì)為空氣,射流與外界能量交換少,相應(yīng)阻力損失小,射流的等速核長(zhǎng)。圖2 淹沒(méi)與非淹沒(méi)射流圖2中模擬了相同條件下的兩種射流情況,可以看出非淹沒(méi)流的等速核長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于淹沒(méi)流的等速核長(zhǎng)度。圖3中采用3組不同速度進(jìn)行淹沒(méi)射流,高壓水高速通過(guò)噴嘴射流到靜壓水中時(shí),由于

11、壓力突然降低,速度會(huì)瞬時(shí)增大,在距噴嘴出口68倍D p 的地方達(dá)到最大,然后由于射柱周圍水阻的影響而很快衰減。圖3 淹沒(méi)流中心速度圖圖4 垂直方向上速度圖圖4中采用700m /S 射流,淹沒(méi)流中在距離噴嘴近的地方水柱在垂直方向上速度衰減最快,因?yàn)閲娮旄浇胤搅魉傧喈?dāng)大,湍流量大,與周圍靜壓水的作用,速度下降幅度最明顯。非淹沒(méi)流中由于空氣對(duì)水柱的影響不像水那么大,速度衰減很慢。另外,速度的最大值不是在中心,而是在偏移中心0.20.25mm 的地方,這是因?yàn)楦邏核淞鞯娇諝庵兴行倪€存在殘余壓力,壓力勢(shì)能還未完全釋放為動(dòng)能形式,隨著射流的發(fā)展,水柱有略微膨脹發(fā)散的趨勢(shì),在截面5mm 、l5mm

12、、25mm 處反映明顯。2.2 噴嘴對(duì)射流的影響圖5 圓柱、圓錐、錐直型噴嘴選擇圖5中D =0.8mm 的噴嘴,以相同的入射條件,在淹沒(méi)流下射流,取射柱截面的平均速度進(jìn)行分析,速度曲線如圖6所示。如果截面擴(kuò)散程度大,意味著速度耗散加劇,必將引起截面軸向平均速度下降,在通常的射程范圍內(nèi)圓錐型噴嘴具有一定的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)閳A錐型噴嘴具有圓滑的過(guò)渡,流線性能!"#機(jī)床與液壓2006.NO. 2好,容易將射流形成包裹體,增加射流內(nèi)聚力,圓柱型和錐直型通過(guò)了一段水平噴嘴管路的引導(dǎo),噴射出口速度過(guò)渡相對(duì)比較平滑,內(nèi)聚力不夠。射流的擴(kuò)散點(diǎn)及穩(wěn)定性與射流的速度相關(guān),從噴嘴出口到擴(kuò)散點(diǎn)圖6 淹沒(méi)流中不同

13、噴嘴比較圓錐型的距離要長(zhǎng);另外,圓柱型和錐直型的局部阻力損失較大會(huì)引起噴嘴進(jìn)出口的壓力不相等,圓錐型很好地避免了這一問(wèn)題。2.3 淹沒(méi)與非淹沒(méi)流下磨料的流動(dòng)特性采用!"分別為0.lmm 、0.l5mm 、0.25mm 的磨料顆粒分別以800m /s 出口速度由圓錐型噴嘴進(jìn)行淹沒(méi)與非淹沒(méi)射流,#"為顆粒速度,#"0為顆粒噴嘴出口處的速度。由圖7可知在由噴嘴混合腔中到噴嘴出口的短距離中,顆粒與水存在一定的滑移速度,顆粒還來(lái)不及完全被高速水流加速到最大速度,在距離出口(57!處速度達(dá)到最大,然后開(kāi)始衰減。圖7 水平方向上磨料速度比值圖圖8 垂直方向上磨料速度圖(!&qu

14、ot;=0.lmm 對(duì)!"=0.lmm 的顆粒進(jìn)行垂直方向上的速度分析,分別截取水柱上的3個(gè)不同截面,隨著水平距離的增加,水柱截面上顆粒的平均速度是逐漸變小,跟上面對(duì)水的分析結(jié)果一致,不同的是,截面上速度最大位置是在中心線上,與水不同,因?yàn)楣腆w不可壓縮,其能量完全以動(dòng)能的形式表現(xiàn)出來(lái)。隨著能量的不斷耗散,固體顆粒比水的衰減要慢,直徑0.25mm 的顆粒比0.lmm 、0.l5mm 顆粒的速度衰減要慢,這是因?yàn)橘|(zhì)量的不同導(dǎo)致慣性的不一樣。所以在切割中,一般選擇6080目的顆粒,由于噴嘴直徑的限制,顆粒直徑也不能過(guò)大,否則會(huì)是噴嘴磨損加劇,局部阻力變大,達(dá)不到預(yù)定效果。另外,通過(guò)仿真我們

15、發(fā)現(xiàn)在高壓水射流的過(guò)程中,一方面由于外界因素(空氣或靜壓水對(duì)射柱的影響,另一方面由于顆粒與水在質(zhì)量和動(dòng)力粘度上的差異,造成磨料顆粒在射柱中的分布并非均勻,顆粒在的射流中存在局部聚合的趨勢(shì),這樣會(huì)引起顆粒的相互碰撞加劇,能量損失加大,影響了射流切割的性能。!"結(jié)束語(yǔ)本文利用CFD 的思想對(duì)高壓水射流的流場(chǎng)進(jìn)行了可視化的模擬仿真。磨料射流存在連續(xù)性,沖擊脈動(dòng)的作用時(shí)間將有利于整個(gè)切割過(guò)程,磨料射流中心的接觸壓力保持略高于沖擊動(dòng)壓,能產(chǎn)生很高的沖擊應(yīng)力。磨料射流與水射流相比,由于磨料的混入,使射流對(duì)物料的作用由水質(zhì)的滯止動(dòng)壓沖蝕,變?yōu)槟チ系臎_擊動(dòng)壓沖蝕,在同樣的射流功略下,將產(chǎn)生更大的切割

16、效能,所以磨料射流能力是遠(yuǎn)大于純水射流的根本原因。通過(guò)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的物理量的分析,結(jié)果表明:射流在淹沒(méi)流下的能量的耗散要遠(yuǎn)大于非淹沒(méi)流,其等速核也遠(yuǎn)小于非淹沒(méi)流的等速核;圓錐型的射流噴嘴在射流效果方面要好于圓柱型和錐直型;在射流過(guò)程中不同直徑的磨料對(duì)水的速度影響不大,磨料直徑小的比顆粒直徑大的速度衰減得快;靶距選擇距離噴嘴出口(58!處比較合適,此時(shí)的磨料顆粒和水柱的速度均達(dá)到最佳。仿真結(jié)果在與射流切割試驗(yàn)的數(shù)據(jù)比較中均相吻合,所以本文的研究分析對(duì)高壓水射流工具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面均有著重要的作用。參考文獻(xiàn)AWJ driiiing C .In :Proceedings of the l4th Interna-tionai Conference on Jetting Technoiogy ,Beigium ,l998:l524.版社,l998.【6】沈忠厚.水射流理論與技術(shù)M .石油大學(xué)出版社,2000.作者簡(jiǎn)介:陳春(l982,男,湖北武漢人,碩士生,研究方向?yàn)楹?淡水液壓傳動(dòng)。電話:027-*,E -maii :stoneman477 。收稿時(shí)間:2004-ll -09 高壓水射流的CFD仿真及分析作者:陳春, 聶松林, 吳正江, 李壯云, CHEN Chun,