前混合水射流扁平噴嘴的結(jié)構(gòu)設計及流場特性

董 星， 宋永佳， 郭忱灝

(黑龍江科技大學 機械工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

前混合水射流是磨料水射流的一種，是以高壓水為載體并在噴嘴前混入適量的磨料粒子而形成的新型射流[1]；它具有噴嘴結(jié)構(gòu)簡單、磨料混合效果好、能量傳輸效率高、射流密集性好等優(yōu)點，廣泛應用于切割、破碎、除銹、拋光、打孔與噴丸強化等技術(shù)領(lǐng)域[2-8]。

噴嘴是磨料水射流系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件之一，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的唯一元件，其工作介質(zhì)為多相流體。根據(jù)加工任務的需要，在磨料水射流應用領(lǐng)域，加工對象不同應采用不同的噴嘴形式，而現(xiàn)有的磨料水射流噴嘴很難滿足各種個性化加工的要求，因此，一些水射流工作者積極開展噴嘴結(jié)構(gòu)的研究，以滿足工程實際的生產(chǎn)需要。董星等[9-10]為探究后混合水射流噴嘴內(nèi)部液固兩相流的運動規(guī)律，利用 FLUENT 軟件研究得出噴嘴內(nèi)部的軸向速度和軸向動壓強的變化規(guī)律具有相似性，同一條件下，水流場的軸向速度更大，但其軸向動壓強小于顆粒流場的軸向動壓強；為使后混合水射流在材料的表面處理工作中獲得良好的效果，設計出具有扇形混合噴嘴結(jié)構(gòu)的后混合水射流噴頭，并利用 FLUENT 軟件研究得出同一靶距下，擴散寬度和軸心速度在V 形切槽夾角為45°時最大。丁詳青[11]利用FLUENT軟件對進出口比不同的噴嘴進行流場分析，得出噴嘴進出口比越大，出口射流流速越大。朱靜等[12]通過實驗得出小入射角會加劇噴嘴磨損的結(jié)論。郭子豪等[13]為減小噴嘴內(nèi)壁的磨損，將壁面處采用圓角過渡來改善射流方向，疏散聚集顆粒。梁博健等[14]通過模擬得出小入射角會強化射流性能。筆者綜合非金屬礦物摩擦解離和靶體材料表面處理的共性特點，設計一種前混合水射流用扁平噴嘴，并分析其射流流場特性，獲得噴嘴入口壓力對流場特性的影響規(guī)律，為扁平噴嘴的工程應用提供技術(shù)支持。

1 扁平噴嘴結(jié)構(gòu)設計

文中設計的扁平噴嘴與前混合水射流發(fā)生裝置配套，設計的扁平噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示，噴嘴入口直徑d為7 mm，流線形收斂段長度l1為11.75 mm；扁平段長度l2為3.10 mm，寬度b為2.50 mm，左右兩側(cè)半圓形半徑r為0.40 mm；擴散段長度l3為2.45 mm，擴散角為20°，扁平段和擴散段的高度h均為0.80 mm。

根據(jù)噴嘴局部結(jié)構(gòu)作用可以實現(xiàn)以下功能：一是在用于非金屬礦物解離時，通過噴嘴扁平段上下壁面對高速過流固相介質(zhì)的約束，實現(xiàn)礦物的摩擦解離；二是在用于靶體材料表面處理時，通過噴嘴出口擴散角形成扇形液固兩相射流，擴大射流介質(zhì)噴射沖擊靶體材料的單位時間覆蓋率，實現(xiàn)對靶體材料表面的高效處理。因此，設計的扁平噴嘴結(jié)構(gòu)由入口流線形收斂段、中間扁平段和出口擴散段3部分組成。入口流線形收斂段使高壓管中的液固兩相流體平穩(wěn)地進入噴嘴中間扁平段，減小了入口流動阻力損失和噴嘴磨損，增加了壓能轉(zhuǎn)換為動能的能量傳輸效率，提高了射流速度；中間扁平段截面結(jié)構(gòu)形狀是，上下為平面產(chǎn)生過流約束，左右兩側(cè)為半圓形利于流體通流；出口擴散段截面結(jié)構(gòu)為矩形，形成扇形射流，提高了沖擊靶體材料的覆蓋面積。

2 模型與計算方法

2.1 有限元模型

根據(jù)圖1扁平噴嘴結(jié)構(gòu)，應用Solidworks建立噴嘴幾何模型。在Workbench環(huán)境下，將幾何模型導入到組件系統(tǒng)Mesh模塊，利用Mesh模塊網(wǎng)格功能進行噴嘴內(nèi)外流場網(wǎng)格劃分；為了提高計算精度和計算效率，全局采用細化網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對模型的扁平段和擴散段進行局部加密。圖2給出了扁平噴嘴有限元模型(俯視圖)，模型的網(wǎng)格單元數(shù)和節(jié)點數(shù)分別為287 005和53 745。

圖1 扁平噴嘴結(jié)構(gòu)Fig. 1 Flat nozzle structure

圖2 有限元模型Fig. 2 Finite element model

2.2 數(shù)學模型

2.2.1 控制方程

前混合水射流是液固兩相高速射流，噴嘴中工作介質(zhì)的流動速度遠遠大于臨界流速，湍流強度較大，射流流場液固兩相介質(zhì)均近似于連續(xù)介質(zhì)，且在大流量固體粒子表面處理過程中固相顆粒體積分數(shù)大于10 %，適用于歐拉多相流模型。因此，選擇的液固兩相流動模型為歐拉模型，其控制方程[9]為

連續(xù)性方程為

?(α1ρ1v1)=0，

(1)

?(αpρpvp)=0，

(2)

式中：α1、αp——水和固相顆粒的體積分數(shù)；

ρ1、ρp——水和固相顆粒的密度；

v1、vp——水和固相顆粒的速度向量。

動量方程為

?(α1ρ1ν1ν1)=-α1?p+?τ1+α1ρ1g+

Kp1(νp-ν1)+α1ρ1(F1+Flift,1)，

(3)

?(αpρpνpνp)=-αp?p+?pp+?τp+αpρpg+

K1p(ν1-νp)+αpρp(Fp+Flift,p)，

(4)

式中：p——水和固相顆粒所有相共享的壓力；

τ1、τp——水和固相顆粒的壓力應變量；

g——重力加速度；

K1p、Kp1——水和固相顆粒兩相之間的動量交換系數(shù)，K1p=Kp1；

F1、Fp——水和固相顆粒的外部體積力；

Flift，1、Flift,p——水和固相顆粒的升力；

pp——固相顆粒的壓力。

2.2.2 湍流模型

根據(jù)前混合水射流液固兩相射流流場特性，湍流模型選擇標準k-ε模型，湍動能k方程和耗散率ε方程[10]分別為

湍動能k方程為

(5)

耗散率方程為

(6)

式中：k——單位質(zhì)量流體湍動能；

μt——湍流黏性系數(shù)，μt=Cμρk2/ε；

Cμ——經(jīng)驗系數(shù)；

ε——單位質(zhì)量流體湍動能耗散率；

C1、C2——系數(shù)；

σk、σε——分別為k和ε對應的Prandtl數(shù)。

數(shù)值模擬計算時，取Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3[15]。

2.3 計算方法與邊界條件

計算方法：采用三維雙精度求解器，壓力速度耦合采用Simple算法，空間離散格式中的梯度采用最小二乘單元法，選擇高階松弛處理，松弛因子為0.25，數(shù)值模擬收斂判據(jù)為流場迭代的變量殘差值R≤10-3。

邊界條件：噴嘴入口邊界條件選擇壓力入口，通過改變?nèi)肟趬毫Υ笮》治鰤毫ι淞髁鲌鎏匦缘挠绊?；噴嘴出口邊界條件選擇壓力出口，出口壓力為標準大氣壓。計算時將水設置為主相，密度為1 000 kg/m3，黏度為1×10-3Pa·s；將固相顆粒設置為次相，設密度為3 900 kg/m3、黏度為1×10-5Pa·s、直徑為0.10 mm，體積分數(shù)為20%。

3 結(jié)果與分析

3.1 入口壓力對水流場特性的影響

圖3和圖4分別給出了噴嘴入口壓力為2、4、5、6、8 MPa時，水流場軸向速度va和軸向動壓強pa分布云圖。

由圖3可見，不同噴嘴入口壓力條件下水流場軸向速度分布規(guī)律相同，具有明顯的面對稱性。在內(nèi)流場，軸向速度隨著流線形收斂段橫截面積的逐漸減小而不斷增大，在進入扁平段位置處過渡平緩、無速度突變現(xiàn)象，進入扁平段后達到最大值；在扁平段，橫截面積沿程不變，軸向速度保持不變；在擴散段，軸向速度隨著橫截面積的逐漸增大而不斷減小；在噴嘴出口截面軸心速度分別為45.88、65.10、72.17、78.37和90.58 m/s。在外流場，射流湍流脈動在外邊界形成漩渦，使周圍的空氣被卷入射流，兩者摻混在一起向前運動，射流的斷面不斷擴大，水流場的軸向速度逐漸減小，在靶距為15 mm位置處軸心速度分別為22.42、31.82、34.88、37.57和43.31 m/s。

圖3 水流場軸向速度分布云圖Fig. 3 Axial velocity contour of water flow field

由圖4可見，不同噴嘴入口壓力條件下水流場軸向動壓強分布規(guī)律相同，亦具有明顯的面對稱性。在內(nèi)流場，軸向動壓強隨著流線形收斂段橫截面積的逐漸減小而不斷增大，進入扁平段后達到最大值；在扁平段，軸向動壓強保持不變；在擴散段，軸向動壓強隨著橫截面積的逐漸增大而不斷減?。辉趪娮斐隹诮孛孑S心動壓強分別為1.05、2.12、2.60、3.07和4.09 MPa。在外流場，隨著靶距的逐漸增大軸向動壓強逐漸減小，在靶距為15 mm時軸心動壓強分別為0.25、0.51、0.61、0.71和0.94 MPa。

圖4 水流場軸向動壓強分布云圖Fig. 4 Axial dynamic pressure contour of water flow field

3.2 入口壓力對顆粒流場特性的影響

圖5和圖6分別給出了噴嘴入口壓力為2、4、5、6、8 MPa時，顆粒流場軸向速度vb和軸向動壓強pb分布云圖。

圖5 顆粒流場軸向速度分布云圖Fig. 5 Axial velocity contour of particle flow field

由圖5可見，不同噴嘴入口壓力條件下顆粒流場軸向速度分布規(guī)律相同，并與水流場軸向速度分布規(guī)律相似，具有明顯的面對稱性。在噴嘴出口截面顆粒流場的軸心速度分別為53.94、76.62、84.25、90.35和104.40 m/s；在外流場靶距為15 mm位置處，顆粒流場的軸心速度分別為25.30、36.41、40.02、43.13和50.02 m/s。由圖6可見，不同噴嘴入口壓力條件下顆粒流場軸向動壓強分布規(guī)律相同，亦與水流場軸向動壓強分布規(guī)律相似，并具有明顯的面對稱性。在噴嘴出口截面顆粒流場的軸心動壓強分別為5.67、11.45、13.84、15.92和21.25 MPa；在外流場靶距為15 mm位置處，顆粒流場的軸心動壓強分別為1.25、2.59、3.13、3.63和4.88 MPa。

圖6 顆粒流場軸向動壓強分布云圖Fig. 6 Axial dynamic pressure contour of particle flow field

通過比較圖5與圖3、圖6與圖4的軸心速度、軸心動壓強數(shù)據(jù)可知，相同噴嘴入口壓力條件下，在噴嘴出口和外流場靶距15 mm的位置處，顆粒流場的軸心速度和軸心動壓強均大于水流場的軸心速度和軸心動壓強。這是因為固相顆粒的密度明顯大于水的密度，在噴嘴擴散段和靶距為15 mm外流場的位置，由于流場截面沿程的不斷擴大及周圍空氣的摻混，水的速度迅速衰減，而固相顆粒由于慣性作用速度衰減緩慢產(chǎn)生的結(jié)果。

4 結(jié) 論

(1)設計出與前混合水射流發(fā)生裝置配套的扁平噴嘴，其結(jié)構(gòu)由入口流線形收斂段、中間扁平段和出口擴散段組成，可以滿足非金屬礦物摩擦解離和靶體材料表面處理的共性要求。

(2)扁平噴嘴水流場軸向速度分布規(guī)律與顆粒流場軸向速度分布規(guī)律相似，具有明顯的面對稱性，且與噴嘴入口壓力無關(guān)。在噴嘴出口截面和射流靶距為15 mm位置處，水流場軸心速度和顆粒流場軸心速度均隨噴嘴入口壓力的增加而增大。

(3)噴嘴入口壓力相同時，在噴嘴出口和射流靶距為15 mm位置處，顆粒流場的軸心速度和軸心動壓強均大于水流場的軸心速度和軸心動壓強。當入口壓力為5 MPa時，顆粒流場的軸心速度、軸心動壓強和水流場的軸心速度、軸心動壓強分別為40.02 m/s、3.13 MPa和34.88 m/s、0.61 MPa。