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)機械學(xué)院,湖北武漢430074摘要:利用計算流體動力學(xué)(CFD的方法對高壓水射流進行了多相流的數(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態(tài)特性,比較分析了淹沒射流與非淹沒射流下磨料水射流與純水射流的區(qū)別,并對可視化的圖形圖像和計算結(jié)果進行了分析研究,結(jié)果表明,非淹沒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;淹沒流與非淹沒流;數(shù)值模擬中圖分類號:TH137 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號: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)是近年來迅速發(fā)展起來的新型射流技術(shù),其切割原理就是利用幾十至幾百兆帕的磨料水,通過特殊設(shè)計的、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分割工件。水能切割,它不同于傳統(tǒng)的切削加工,水切割無切削熱,切割面變形小,無毛刺,生產(chǎn)過程無污染,工作環(huán)境友好,符合環(huán)保要求。傳統(tǒng)的射流計算準(zhǔn)確性差,往往需要大量的試驗才能獲得相對理想的結(jié)果。高壓水射流切割常涉及到非淹沒連續(xù)自由射流,是固、液、氣三相混合的介質(zhì)射流,機

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)代物理及流體動力理論,迄今很難完全利用純解析法來研究和分析。借助CFD的思想和計算機仿真,我們能方便有效地分析射流的動靜態(tài)特性,這種可視化的方法不僅能使得流場可以定性地呈現(xiàn),而且能定量地捕捉到流場各處的速度、壓力和各相耦合強度等重要參數(shù),為我們在射流工具的設(shè)計和優(yōu)化方面提供了有效的手段。#"模型的建立與計算1.1 網(wǎng)格劃分和條件設(shè)置考慮到射流條件的對稱性,在網(wǎng)格劃分和求解中可以采用2-D的軸對稱模型。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,動力粘度1.78X10-5Pas,溫度20C;水密度1X103kg/m3,動力粘度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,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求解一個或者多個容積組分的連續(xù)性方程而實現(xiàn)的,對于G相,

8、連續(xù)性方程為:!G!W+”U"!G=S!G"G31*基金項目:國家自然基金項目(50375056 一般情況下方程右邊的源項是0,容積組分方程對主要相是不求解的;主要容積組分基于以下限制條件計算:Z Ig =l g =l通常,對I 相系統(tǒng),容積比率平均密度采用如下形式: =Z g g一個簡單的動量方程在整域求解,得到速度場由這些相共享。動量方程取決于通過屬性 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)生的湍流動能。G b 是由浮力產(chǎn)生的湍流動能,Y M 由于在可壓縮湍流中,過渡的擴散產(chǎn)生的波動,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!"流場仿真及結(jié)果分析2.l 淹沒流與非淹沒流的比較淹沒射流和非淹沒射流的射流結(jié)構(gòu)是不一樣的,淹沒射流以孔內(nèi)具有一定靜壓力的水為工作介質(zhì),摩阻大,在前進過程中不斷卷吸周圍的液體向周圍擴散,能量損失大,導(dǎo)致沿軸向速度衰減迅速。非淹沒射流在空氣中進行,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。圖2 淹沒與非淹沒射流圖2中模擬了相同條件下的兩種射流情況,可以看出非淹沒流的等速核長度遠(yuǎn)大于淹沒流的等速核長度。圖3中采用3組不同速度進行淹沒射流,高壓水高速通過噴嘴射流到靜壓水中時,由于

11、壓力突然降低,速度會瞬時增大,在距噴嘴出口68倍D p 的地方達到最大,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,因為噴嘴附近地方流速相當(dāng)大,湍流量大,與周圍靜壓水的作用,速度下降幅度最明顯。非淹沒流中由于空氣對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,這是因為高壓水射流到空氣中水柱中心還存在殘余壓力,壓力勢能還未完全釋放為動能形式,隨著射流的發(fā)展,水柱有略微膨脹發(fā)散的趨勢,在截面5mm 、l5mm

12、、25mm 處反映明顯。2.2 噴嘴對射流的影響圖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,在淹沒流下射流,取射柱截面的平均速度進行分析,速度曲線如圖6所示。如果截面擴散程度大,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。這是因為圓錐型噴嘴具有圓滑的過渡,流線性能!"#機床與液壓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了一段水平噴嘴管路的引導(dǎo),噴射出口速度過渡相對比較平滑,內(nèi)聚力不夠。射流的擴散點及穩(wěn)定性與射流的速度相關(guān),從噴嘴出口到擴散點圖6 淹沒流中不同

13、噴嘴比較圓錐型的距離要長;另外,圓柱型和錐直型的局部阻力損失較大會引起噴嘴進出口的壓力不相等,圓錐型很好地避免了這一問題。2.3 淹沒與非淹沒流下磨料的流動特性采用!"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行淹沒與非淹沒射流,#"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!處速度達到最大,然后開始衰減。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!"=0.lmm 的顆粒進行垂直方向上的速度分析,分別截取水柱上的3個不同截面,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,因為固體不可壓縮,其能量完全以動能的形式表現(xiàn)出來。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,這是因為質(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,顆粒直徑也不能過大,否則會是噴嘴磨損加劇,局部阻力變大,達不到預(yù)定效果。另外,通過仿真我們

15、發(fā)現(xiàn)在高壓水射流的過程中,一方面由于外界因素(空氣或靜壓水對射柱的影響,另一方面由于顆粒與水在質(zhì)量和動力粘度上的差異,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,這樣會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)束語本文利用CFD 的思想對高壓水射流的流場進行了可視化的模擬仿真。磨料射流存在連續(xù)性,沖擊脈動的作用時間將有利于整個切割過程,磨料射流中心的接觸壓力保持略高于沖擊動壓,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,使射流對物料的作用由水質(zhì)的滯止動壓沖蝕,變?yōu)槟チ系臎_擊動壓沖蝕,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。通過對整個流場的物理量的分析,結(jié)果表明:射流在淹沒流下的能量的耗散要遠(yuǎn)大于非淹沒流,其等速核也遠(yuǎn)小于非淹沒流的等速核;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;在射流過程中不同直徑的磨料對水的速度影響不大,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,此時的磨料顆粒和水柱的速度均達到最佳。仿真結(jié)果在與射流切割試驗的數(shù)據(jù)比較中均相吻合,所以本文的研究分析對高壓水射流工具的設(shè)計及優(yōu)化方面均有著重要的作用。參考文獻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.作者簡介:陳春(l982,男,湖北武漢人,碩士生,研究方向為海(淡水液壓傳動。電話:027-*,E -maii :stoneman477 。收稿時間: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,