工程科学学报，第37卷，增刊1：29-34,2015年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,Suppl.1:29-34,May 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.s1.006:http://journals.ustb.edu.cn 后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 刘国勇)四，王宽宽”，陈欣欣2》，董栗明”，朱冬梅”，张少军” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)中国航天科工集团公司六院六O一所，呼和浩特010076 ☒通信作者，Email:iu666@usth.cdu.cn 摘要基于C℉D多相流欧拉模型，针对后混合式磨料水射流除鳞喷嘴中磨料与水混合均匀性差、射流能量利用率低的缺 点，应用F山t软件对磨料侧进式、切进式和平行多射流式3种进料方式的喷嘴进行三维数值模拟，通过喷嘴内部流场速度 矢量图分析了3种进料方式下高压水与磨料的作用机理，并通过磨料体积分数云图比较了流场的均匀性.结果表明：与磨料 侧进式喷嘴相比，磨料切进式和平行多射流式喷嘴能够改善磨料与水的混合效果，使流场内磨料分布均匀.但切进式喷嘴会 增加喷嘴内部的磨损，需要采用更耐磨的材料.与前两种喷嘴相比，平行多射流式喷嘴可得到磨料与水最好的混合均匀性， 实际应用中还可以根据需要对水射流的流量及作用方式进行调节. 关键词后混合：磨料水射流：均匀性：进料方式：数值模拟 分类号TG142.71 Numerical simulation of internal flow field for post-mixed abrasive water jet descaling nozzle LIU Guo-yong,WANG Kuan-kuan",CHEN Xin-xin,DONG Li-ming,ZHU Dong-mei,ZHANG Shao-jun 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)The 601 Institute,the 6hAcademy,China Aerospace Science and Industry,Hohhot 010076,China Corresponding author,E-mail:gy_liu666@ustb.edu.cn ABSTRACT For the shortcomings,such as low efficiency of jet energy and poor uniformity of water and abrasive in the post-mixed abrasive water jet descaling nozzle,three kinds of structures of the nozzle were put forward:the side feed nozzle,the tangential feed nozzle,and the parallel multi-jet nozzle.Based on the CFD Eulerian multiphase flow model,the 3-dimensional numerical simulation of the three kinds of structures was conducted with the FLUENT software.And the acting mechanism of the high-pressure water with the abrasive was analyzed through the velocity vector of the flow field inside the nozzle.The uniformity of the flow field was compared by analyzing the volume fraction contours of abrasive.Results show that compared with the side feed nozzle,the tangential feed nozzle and the parallel multi-jet nozzle can improve the mixing effect and obtain a rather uniform abrasive distribution.Whereas,the tangential feed nozzle can augment the internal wear of the nozzle,which needs a kind of more wear-resistant material.Compared with the former two structures,the mixing effect of the parallel multi-jet nozzle is perfect and the water jet flow as well as the acting mode could be ad- justed according to the need in practical application. KEY WORDS post-mixing:abrasive water jet;uniformity:feeding method;numerical simulation 磨料水射流(abrasive water jet,AW叮J)技术，是二十 力四.磨料射流以其独特的优势在工业清洗、除锈及 世纪八十年代迅速发展起来的一种新型高效水射 切割方面有着广泛的应用.目前，已逐渐采用磨料水 流四.磨料射流以水为载体，磨料微粒被高压水加速. 射流除鳞系统代替酸洗除鳞系统对冷轧带钢进行除 由于磨料的加入，大大提高了射流的冲击力和磨削 鳞.喷嘴是磨料水射流除鳞的关键部件之一，其作用 收稿日期：201501一11
工程科学学报，第 37 卷，增刊 1: 29--34，2015 年 5 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，Suppl． 1: 29--34，May 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． s1． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 刘国勇1) ，王宽宽1) ，陈欣欣2) ，董栗明1) ，朱冬梅1) ，张少军1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 中国航天科工集团公司六院六○一所，呼和浩特 010076 通信作者，E-mail: gy_liu666@ ustb． edu． cn 摘 要 基于 CFD 多相流欧拉模型，针对后混合式磨料水射流除鳞喷嘴中磨料与水混合均匀性差、射流能量利用率低的缺 点，应用 Fluent 软件对磨料侧进式、切进式和平行多射流式 3 种进料方式的喷嘴进行三维数值模拟，通过喷嘴内部流场速度 矢量图分析了 3 种进料方式下高压水与磨料的作用机理，并通过磨料体积分数云图比较了流场的均匀性． 结果表明: 与磨料 侧进式喷嘴相比，磨料切进式和平行多射流式喷嘴能够改善磨料与水的混合效果，使流场内磨料分布均匀． 但切进式喷嘴会 增加喷嘴内部的磨损，需要采用更耐磨的材料． 与前两种喷嘴相比，平行多射流式喷嘴可得到磨料与水最好的混合均匀性， 实际应用中还可以根据需要对水射流的流量及作用方式进行调节． 关键词 后混合; 磨料水射流; 均匀性; 进料方式; 数值模拟 分类号 TG142. 71 Numerical simulation of internal flow field for post-mixed abrasive water jet descaling nozzle LIU Guo-yong1) ，WANG Kuan-kuan1) ，CHEN Xin-xin2) ，DONG Li-ming1) ，ZHU Dong-mei 1) ，ZHANG Shao-jun1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) The 601st Institute，the 6th Academy，China Aerospace Science and Industry，Hohhot 010076，China Corresponding author，E-mail: gy_liu666@ ustb． edu． cn ABSTRACT For the shortcomings，such as low efficiency of jet energy and poor uniformity of water and abrasive in the post-mixed abrasive water jet descaling nozzle，three kinds of structures of the nozzle were put forward: the side feed nozzle，the tangential feed nozzle，and the parallel multi-jet nozzle． Based on the CFD Eulerian multiphase flow model，the 3-dimensional numerical simulation of the three kinds of structures was conducted with the FLUENT software． And the acting mechanism of the high-pressure water with the abrasive was analyzed through the velocity vector of the flow field inside the nozzle． The uniformity of the flow field was compared by analyzing the volume fraction contours of abrasive． Results show that compared with the side feed nozzle，the tangential feed nozzle and the parallel multi-jet nozzle can improve the mixing effect and obtain a rather uniform abrasive distribution． Whereas，the tangential feed nozzle can augment the internal wear of the nozzle，which needs a kind of more wear-resistant material． Compared with the former two structures，the mixing effect of the parallel multi-jet nozzle is perfect and the water jet flow as well as the acting mode could be adjusted according to the need in practical application． KEY WORDS post-mixing; abrasive water jet; uniformity; feeding method; numerical simulation 收稿日期: 2015--01--11 磨料水射流( abrasive water jet，AWJ) 技术，是二十 世纪八十年代迅速发展起来的一种新型高效水射 流［1］． 磨料射流以水为载体，磨料微粒被高压水加速． 由于磨料的加入，大大提高了射流的冲击力和磨削 力［2］． 磨料射流以其独特的优势在工业清洗、除锈及 切割方面有着广泛的应用． 目前，已逐渐采用磨料水 射流除鳞系统代替酸洗除鳞系统对冷轧带钢进行除 鳞． 喷嘴是磨料水射流除鳞的关键部件之一，其作用
·30· 工程科学学报，第37卷，增刊1 是将高压低流速射流转化为低压高流速的射流，喷嘴 反而低速磨料粒子不易进入射流中心.后混合磨料水 的结构在很大程度上影响着高压水与磨料混合的均匀 射流磨料进入混合腔是靠高速水流在混合腔内引起的 性，从而影响除鳞效果心) 负压卷吸作用，所以将中间高压水入口伸入到混合腔 后混合磨料水射流的工作原理是从高压泵流出的 内部，设计喷嘴物理模型如图2所示.磨料入口到混 高压水通过喷嘴而形成高速流，由于水射流束对周围 合腔左边界的距离为L,磨料入口直径为d,、倾斜角为 空气的卷吸作用，在混合腔内将形成一定的真空度，从 6,混合腔内腔直径为d2,收缩段锥角为ax,出口段长度 而使磨料与混合腔之间的供料管内产生了一定的压力 为1、直径为山.参考前混喷嘴相关理论及公式，结 差.磨料在此压力差的作用下被抽吸到混合腔内，并 合后混喷嘴特点，设计了喷嘴混合腔的基本几何参数， 与水射流发生强烈的湍动扩散和掺混，再通过磨料喷 如表1所示 嘴喷出而形成磨料射流，其原理图如图1所示.由 混合腔 于水射流直径小，而磨料与水的速度相差很大，磨料粒 子很难进入高速水射流中心得到充分加速，导致两相 流混合不均匀，射流的能量利用率低，影响了磨料水射 流优越性的充分发挥.目前对于后混合磨料水射流的 研究大多是通过实验的手段，例如杨新乐等对磨料水 水平X轴 射流喷嘴进行了二维数值模拟，比较分析了前混合式 和后混合式喷嘴的特性.熊佳等对后混合磨料水射 流喷嘴内部流场进行了二维数值模拟，分析了混合腔 长度和内锥角对速度场的影响切，万继伟等对后混式 图2喷嘴物理模型 高速水射流超细粉碎技术进行了深入了解，利用数值 Fig.2 Physical model of the nozzle 计算和粉碎实验相结合的方法，研究了多相混合射流 表1喷嘴的几何参数 相间的混合机理和加速特性圆.但是这些数值模拟采 Table 1 Geometric parameters of the nozzle mm 用二维模型进行简化模拟不仅不准确，精度也受到限 dy ds 2 制.本文对后混合磨料水射流除鳞喷嘴的磨料进料方 2.8 12 1 3 25 35 式改进，利用Fluent软件建立三维仿真模型，分别对侧 进式喷嘴、切进式喷嘴以及平行多射流式喷嘴进行了 1.2流体控制方程 模拟仿真，为工程设计及应用提供了理论依据 采用标准k一ε方程湍流模型，该模型是建立在湍 磨料 流动能K及其耗散率ε的输运方程基础之上的半经验 磨料斗 模型@.k,e的输运方程如式(1)~(2)所示. 共料管 混合腔 高压胶管 磨料喷嘴 高压泵 水喷嘴 Gx+G-p8-Y+ (1 水箱 dx; 图1后混合式高压水喷砂除鳞的原理图 (2) Fig.1 Schematic diagram of the post-mixed high-pressure abrasive .+66)-Cp+s water jet for descaling 式中，t为时间p为流体密度：x,x分别为ij方向坐 标；4：为i方向流速以为流体的动力黏度4，为湍流 1 模型建立及控制方程 黏性系数；σ.，0。分别为与湍动能K和耗散率e对应 的Prandtl数：G。为平均速度梯度引起的湍动能K的产 1.1喷嘴混合物理模型 生项：G为浮力引起的湍动能K的产生项；Y为可压 常见的后混合磨料水射流除鳞喷嘴在侧面只有一 湍流中脉动扩张的贡献：S.,S。为用户根据计算工况 个入口，由于结构具有不对称性，就必然会产生流场的 定义的源项；Cc,C2,C。为经验常数.湍流黏性系数 非对称性.因此，提出一种改进的侧进式喷嘴结构：将 山，通过K和e计算得到(3)式： 单侧入口改为对称双侧入口，磨料从两侧对称的入口 (3) 进入，中间为高压水入口.这是由于如果采用磨料中 进式，两侧的高压水进入后很难对磨料产生卷吸作用， 式中，C。为经验常数
工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 是将高压低流速射流转化为低压高流速的射流，喷嘴 的结构在很大程度上影响着高压水与磨料混合的均匀 性，从而影响除鳞效果［3 － 4］． 后混合磨料水射流的工作原理是从高压泵流出的 高压水通过喷嘴而形成高速流，由于水射流束对周围 空气的卷吸作用，在混合腔内将形成一定的真空度，从 而使磨料与混合腔之间的供料管内产生了一定的压力 差． 磨料在此压力差的作用下被抽吸到混合腔内，并 与水射流发生强烈的湍动扩散和掺混，再通过磨料喷 嘴喷出而形成磨料射流，其原理图如图 1 所示［5］． 由 于水射流直径小，而磨料与水的速度相差很大，磨料粒 子很难进入高速水射流中心得到充分加速，导致两相 流混合不均匀，射流的能量利用率低，影响了磨料水射 流优越性的充分发挥． 目前对于后混合磨料水射流的 研究大多是通过实验的手段，例如杨新乐等对磨料水 射流喷嘴进行了二维数值模拟，比较分析了前混合式 和后混合式喷嘴的特性［6］． 熊佳等对后混合磨料水射 流喷嘴内部流场进行了二维数值模拟，分析了混合腔 长度和内锥角对速度场的影响［7］，万继伟等对后混式 高速水射流超细粉碎技术进行了深入了解，利用数值 计算和粉碎实验相结合的方法，研究了多相混合射流 相间的混合机理和加速特性［8］． 但是这些数值模拟采 用二维模型进行简化模拟不仅不准确，精度也受到限 制． 本文对后混合磨料水射流除鳞喷嘴的磨料进料方 式改进，利用 Fluent 软件建立三维仿真模型，分别对侧 进式喷嘴、切进式喷嘴以及平行多射流式喷嘴进行了 模拟仿真，为工程设计及应用提供了理论依据． 图 1 后混合式高压水喷砂除鳞的原理图 Fig． 1 Schematic diagram of the post-mixed high-pressure abrasive water jet for descaling 1 模型建立及控制方程 1. 1 喷嘴混合物理模型 常见的后混合磨料水射流除鳞喷嘴在侧面只有一 个入口，由于结构具有不对称性，就必然会产生流场的 非对称性． 因此，提出一种改进的侧进式喷嘴结构: 将 单侧入口改为对称双侧入口，磨料从两侧对称的入口 进入，中间为高压水入口． 这是由于如果采用磨料中 进式，两侧的高压水进入后很难对磨料产生卷吸作用， 反而低速磨料粒子不易进入射流中心． 后混合磨料水 射流磨料进入混合腔是靠高速水流在混合腔内引起的 负压卷吸作用，所以将中间高压水入口伸入到混合腔 内部，设计喷嘴物理模型如图 2 所示． 磨料入口到混 合腔左边界的距离为 L，磨料入口直径为 d4、倾斜角为 θ，混合腔内腔直径为 d2，收缩段锥角为 α，出口段长度 为 l1、直径为 d1 ． 参考前混喷嘴相关理论及公式［9］，结 合后混喷嘴特点，设计了喷嘴混合腔的基本几何参数， 如表 1 所示． 图 2 喷嘴物理模型 Fig． 2 Physical model of the nozzle 表 1 喷嘴的几何参数 Table 1 Geometric parameters of the nozzle mm d1 d2 d3 d4 l1 l2 2. 8 12 1 3 25 35 1. 2 流体控制方程 采用标准 κ--ε 方程湍流模型，该模型是建立在湍 流动能 κ 及其耗散率 ε 的输运方程基础之上的半经验 模型［10］． κ，ε 的输运方程如式( 1) ～ ( 2) 所示． t ( ρκ) + i xi ( ρκui ) = x [ ( j μ + μt σ ) κ κ x ]j + Gκ + Gb － ρε － YM + Sκ， ( 1) t ( ρε) + xi ( ρεui ) = x [ ( j μ + μt σ ) ε ε x ]j + C1ε ε κ ( Gκ + C3εGb ) － C2ε ρ ε2 κ + Sε ． ( 2) 式中，t 为时间; ρ 为流体密度; xi，xj 分别为 i，j 方向坐 标; ui 为 i 方向流速; μ 为流体的动力黏度; μt 为湍流 黏性系数; σκ，σε 分别为与湍动能 κ 和耗散率 ε 对应 的 Prandtl 数; Gκ 为平均速度梯度引起的湍动能 κ 的产 生项; Gb 为浮力引起的湍动能 κ 的产生项; YM 为可压 湍流中脉动扩张的贡献; Sκ，Sε 为用户根据计算工况 定义的源项; C1ε，C2ε，C3ε为经验常数． 湍流黏性系数 μt，通过 κ 和 ε 计算得到( 3) 式: μt = ρCμ κ2 ε ． ( 3) 式中，Cμ 为经验常数． ·30·
刘国勇等：后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 ·31 1.3喷嘴的仿真模型 表2仿真参数 采用Gambit前处理软件建立喷嘴混合腔三维模 Table 2 Simulation parameters 型，如图3(a)所示，并且生成有限元网格如图3(b)所 水密度/水黏度/磨料密度/磨料黏度/磨料百分磨料颗粒 示.由于模型网格的类型与尺度直接影响到数值模拟 (kgm5)(Pas)(kgm3)(Pas)比/%直径mm 结果的精度、稳定性以及耗用的CPU时间，所以通过 998.2 0.001 26600.00175 30 0.1 网格切分手段减小非结构网格的数量，并尽可能使用 扰掺杂，根据湍流流体力学，会产生波动，并在接触区 较多结构网格. 形成漩涡，这种漩涡带来的卷吸作用使磨料粒子不断 磨料入口 高压水入口 (a) 被吸入高速水射流中，低速的磨料粒子被高速水射流 不断加速，到混合腔的后半段时两者基本达到同一速 磨料入口 度，经由收缩段加速后形成磨料水射流，但磨料粒子与 水射流的速度差太大，部分磨料粒子在卷吸到水射流 表面时又被弹开，导致磨料粒子撞向混合腔内壁，磨料 粒子在与混合腔内壁碰撞以后速度反向，再次与水射 流混合，因此从图中可以看到，在水射流与混合腔内壁 之间的区域，磨料粒子存在上下两种径向分速度，磨料 粒子这种来回反弹是除了卷吸作用以外的另一种混合 图3喷嘴示意图.(a)几何模型：(b)有限元网格模型 方式. Fig.3 Schematic of the nozzle:(a)geometrical model:(b)finite 图5为喷嘴内部流场磨料体积分数分布云图，高 grid model 速水射流进入混合腔后，卷吸喷嘴内的空气而形成局 边界条件及数值处理，基于如下假设： 部负压，低速磨料以一定的径向速度与水平的高速水 (1)忽略磨粒的不规则影响，将磨粒看作理想 射流接触，造成比较大的冲击，使得喷嘴内湍流强度 小球： 大，磨料在喷嘴内部聚集在某一个局部区域，导致磨料 (2)磨料入口处磨料颗粒均匀分布： 与水混合不均匀 (3)忽略磨料颗粒间的相互作用： 速度ms少 (4)水为理想的不可压缩流体，将磨料与水混合 , 形成的浆料看作为连续相 边界条件设置如下： (1)入口边界条件：均为速度入口，中间为高压水 入口，设定速度为120m·s:两侧为磨料与水混合的 浆液入口，其中磨料的速度为10m·s,与磨料混合的 59.9 532 水的速度为12ms,磨料的体积分数为0.3； 46.6 39.9 (2)出口边界条件：下端为磨料喷嘴出口，为压力 33.3 26.6 出口，压力值为101325Pa. 20.0 5.65 (3)壁面边界条件：壁面采用无滑移边界条件，近 壁面区域采用标准壁面函数法计算。 图4喷嘴内部流场速度矢量图.()整体轴向截面：(b)局部放 考虑到水、空气和磨料三相之间的相互作用的流 大图 动特点，模拟计算中采用欧拉模型，其中水为基本相， Fig.4 Velocity vector of the flow field inside the nozzle:(a)overall 磨料和空气为第二相.选用K一ε湍流模型，离散方程 axial section:(b)partial enlarged figure 求解采用一阶迎风格式及SIMPLE算法，并根据收敛 2改进喷嘴的数值模拟 情况适当调节亚松弛因子对离散方程进行了求解，其 他参数默认.初始化后整个流场域为空气，即空气体 由于后混合磨料水射流，高压水射流具有直径小、 积分数为100%. 速度高的特点，未经过高速水流进行初步加速的磨料 其他仿真参数如表2所示四 粒子很难进入其内部得到充分加速.所以射流能量的 1.4仿真结果与分析 利用率低，影响了磨料水射流优越性的充分发挥.因 图4为喷嘴内部流场速度矢量图。由图可知，磨 此，需要对后混合式磨料水射流除鳞喷嘴进行结构的 料粒子进入混合腔与中心轴位置的高速水射流相互干 改进
刘国勇等: 后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 1. 3 喷嘴的仿真模型 采用 Gambit 前处理软件建立喷嘴混合腔三维模 型，如图 3( a) 所示，并且生成有限元网格如图 3( b) 所 示． 由于模型网格的类型与尺度直接影响到数值模拟 结果的精度、稳定性以及耗用的 CPU 时间，所以通过 网格切分手段减小非结构网格的数量，并尽可能使用 较多结构网格． 图 3 喷嘴示意图． ( a) 几何模型; ( b) 有限元网格模型 Fig． 3 Schematic of the nozzle: ( a) geometrical model; ( b) finite grid model 边界条件及数值处理，基于如下假设: ( 1) 忽略 磨 粒 的 不 规 则 影 响，将磨粒看作理想 小球; ( 2) 磨料入口处磨料颗粒均匀分布; ( 3) 忽略磨料颗粒间的相互作用; ( 4) 水为理想的不可压缩流体，将磨料与水混合 形成的浆料看作为连续相． 边界条件设置如下: ( 1) 入口边界条件: 均为速度入口，中间为高压水 入口，设定速度为 120 m·s － 1 ; 两侧为磨料与水混合的 浆液入口，其中磨料的速度为 10 m·s － 1 ，与磨料混合的 水的速度为 12 m·s － 1 ，磨料的体积分数为 0. 3; ( 2) 出口边界条件: 下端为磨料喷嘴出口，为压力 出口，压力值为 101325 Pa． ( 3) 壁面边界条件: 壁面采用无滑移边界条件，近 壁面区域采用标准壁面函数法计算． 考虑到水、空气和磨料三相之间的相互作用的流 动特点，模拟计算中采用欧拉模型，其中水为基本相， 磨料和空气为第二相． 选用 κ--ε 湍流模型，离散方程 求解采用一阶迎风格式及 SIMPLE 算法，并根据收敛 情况适当调节亚松弛因子对离散方程进行了求解，其 他参数默认． 初始化后整个流场域为空气，即空气体 积分数为 100% ． 其他仿真参数如表 2 所示［11］． 1. 4 仿真结果与分析 图 4 为喷嘴内部流场速度矢量图． 由图可知，磨 料粒子进入混合腔与中心轴位置的高速水射流相互干 表 2 仿真参数 Table 2 Simulation parameters 水密度/ ( kg·m － 3 ) 水黏度/ ( Pa·s － 1 ) 磨料密度/ ( kg·m － 3 ) 磨料黏度/ ( Pa·s － 1 ) 磨料百分 比/% 磨料颗粒 直径/mm 998. 2 0. 001 2660 0. 00175 30 0. 1 扰掺杂，根据湍流流体力学，会产生波动，并在接触区 形成漩涡，这种漩涡带来的卷吸作用使磨料粒子不断 被吸入高速水射流中，低速的磨料粒子被高速水射流 不断加速，到混合腔的后半段时两者基本达到同一速 度，经由收缩段加速后形成磨料水射流，但磨料粒子与 水射流的速度差太大，部分磨料粒子在卷吸到水射流 表面时又被弹开，导致磨料粒子撞向混合腔内壁，磨料 粒子在与混合腔内壁碰撞以后速度反向，再次与水射 流混合，因此从图中可以看到，在水射流与混合腔内壁 之间的区域，磨料粒子存在上下两种径向分速度，磨料 粒子这种来回反弹是除了卷吸作用以外的另一种混合 方式． 图 5 为喷嘴内部流场磨料体积分数分布云图，高 速水射流进入混合腔后，卷吸喷嘴内的空气而形成局 部负压，低速磨料以一定的径向速度与水平的高速水 射流接触，造成比较大的冲击，使得喷嘴内湍流强度 大，磨料在喷嘴内部聚集在某一个局部区域，导致磨料 与水混合不均匀． 图4 喷嘴内部流场速度矢量图． ( a) 整体轴向截面; ( b) 局部放 大图 Fig． 4 Velocity vector of the flow field inside the nozzle: ( a) overall axial section; ( b) partial enlarged figure 2 改进喷嘴的数值模拟 由于后混合磨料水射流，高压水射流具有直径小、 速度高的特点，未经过高速水流进行初步加速的磨料 粒子很难进入其内部得到充分加速． 所以射流能量的 利用率低，影响了磨料水射流优越性的充分发挥． 因 此，需要对后混合式磨料水射流除鳞喷嘴进行结构的 改进． ·31·
·32· 工程科学学报，第37卷，增刊1 体积分数/% a,磨料人口 高压水入口 94.5 (b) 磨料入口 盛 4.73 图6磨料切进式喷嘴示意图.(a)几何模型：(b)有限元网格 模型 图5磨料体积分数云图 Fig.6 Schematic of the tangential feeding nozzle:(a)geometrical Fig.5 Contours of the abrasive volume fraction model:(b)finite grid model 2.1磨料切进式喷嘴 合腔切线方向进入混合腔时，一边旋转，一边前进，避 2.1.1仿真模型建立 免直接与高速水射流发生冲击，减弱了磨料粒子的反 磨料入口直径与高压水入口直径不变，将磨料侧 弹效果，使磨料与水射流得以更充分的混合，同时也减 进式改为磨料切进式.利用Gambit前处理软件创建 少了磨料粒子相互碰撞，从而可以提高磨料射流的除 喷嘴三维模型，几何模型结构示意图及网格划分结构 鳞能力.但切进式喷嘴会增加喷嘴内壁的磨损，所以 模型如图6所示 需要采用更耐磨的材料.由于磨料粒子沿切向进入混 2.1.2仿真结果与分析 合腔，有利于磨料粒子与水射流的混合，因此切进式喷 图7(a)为磨料入口截面的磨料体积分数云图，由 嘴的混合性能要好于侧进式喷嘴 图可知，由于磨料沿混合腔切向进入，避免了与高速水 2.2磨料平行多射流式喷嘴 射流直接冲击，同时减少了磨料之间的相互碰撞，但磨 2.2.1仿真模型建立 料从壁面到中心轴的分布是逐渐减少的，中心位置有 在磨料入口位置周围布置了四个对称且平行的高 一定量的磨料存在.由图7(b)轴向截面的磨料体积 压水入口，此模型结构尺寸均与上述模型相同.几何 分数云图可知，磨料粒子与高速水流的混合液在进入 模型结构示意图及网格划分结构模型如图9所示 收缩段时已基本混合均匀.因此该结构与侧进式喷嘴 2.2.2仿真结果分与析 相比，混合效果有一定改进 由图10可知，多股水射流的引射作用强，而磨料 由图8可知，由于高压水射流引射作用，磨料沿混 射流直径相对较大，卷吸磨料的能力强，磨料与水的混 体积分数/% 体积分数% 100 99.9 9 (8 94.9 90 89.9 9 74.9 580506605045035300359055 69.9 64.9 60.0 55.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 0 9.99 5 5.00 图7磨料体积分数云图.(a)磨料入口截面(b)轴向截面 Fig.7 Contours of the abrasive volume fraction:(a)abrasive inlet section:(b)axial section
工程科学学报，第 37 卷，增刊 1 图 5 磨料体积分数云图 Fig． 5 Contours of the abrasive volume fraction 2. 1 磨料切进式喷嘴 2. 1. 1 仿真模型建立 磨料入口直径与高压水入口直径不变，将磨料侧 进式改为磨料切进式． 利用 Gambit 前处理软件创建 喷嘴三维模型，几何模型结构示意图及网格划分结构 模型如图 6 所示． 图 7 磨料体积分数云图 . ( a) 磨料入口截面 ( b) 轴向截面 Fig． 7 Contours of the abrasive volume fraction: ( a) abrasive inlet section; ( b) axial section 2. 1. 2 仿真结果与分析 图 7( a) 为磨料入口截面的磨料体积分数云图，由 图可知，由于磨料沿混合腔切向进入，避免了与高速水 射流直接冲击，同时减少了磨料之间的相互碰撞，但磨 料从壁面到中心轴的分布是逐渐减少的，中心位置有 一定量的磨料存在． 由图 7( b) 轴向截面的磨料体积 分数云图可知，磨料粒子与高速水流的混合液在进入 收缩段时已基本混合均匀． 因此该结构与侧进式喷嘴 相比，混合效果有一定改进． 由图 8 可知，由于高压水射流引射作用，磨料沿混 图 6 磨料切进式喷嘴示意图 . ( a) 几何模型; ( b) 有限元网格 模型 Fig． 6 Schematic of the tangential feeding nozzle: ( a) geometrical model; ( b) finite grid model 合腔切线方向进入混合腔时，一边旋转，一边前进，避 免直接与高速水射流发生冲击，减弱了磨料粒子的反 弹效果，使磨料与水射流得以更充分的混合，同时也减 少了磨料粒子相互碰撞，从而可以提高磨料射流的除 鳞能力． 但切进式喷嘴会增加喷嘴内壁的磨损，所以 需要采用更耐磨的材料． 由于磨料粒子沿切向进入混 合腔，有利于磨料粒子与水射流的混合，因此切进式喷 嘴的混合性能要好于侧进式喷嘴． 2. 2 磨料平行多射流式喷嘴 2. 2. 1 仿真模型建立 在磨料入口位置周围布置了四个对称且平行的高 压水入口，此模型结构尺寸均与上述模型相同． 几何 模型结构示意图及网格划分结构模型如图 9 所示． 2. 2. 2 仿真结果分与析 由图 10 可知，多股水射流的引射作用强，而磨料 射流直径相对较大，卷吸磨料的能力强，磨料与水的混 ·32·
刘国勇等：后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 ·33 量及作用方式进行调节. 速度ms) 129 由图11可知，由于在磨料入口位置对称布置了4 股平行的水射流，这4股平行的高速水射流单独引起 的负压卷吸作用分布均衡，磨料粒子从中心位置进入 混合腔，在周围4股水射流的引射作用下，磨料粒子开 始发散，与四周的水射流混合并加速，很快达到相近速 度.而4股水射流在各自引起的卷吸作用下也发生混 合，由于各个水射流的初始速度相同，使得这一混合过 程非常迅速，最终磨料粒子与水混合达到同一速度，经 由收缩段加速喷出. 速度ms 100 132 126 图8喷嘴内部流场速度矢量图 119 112 Fig.8 Velocity vector of the flow field inside the nozzle 106 99.1 a (b) 92.5 859 磨料人口 高压水入口 79.3 72.7 66.1 59.5 52.8 46.2 39.6 33.0 264 19.8 13.2 6.61 图9磨料平行式喷嘴示意图.()儿何模型：(b)有限元网格 图11喷嘴内部流场局部速度矢量图 模型 Fig.11 Velocity vector of the local flow field inside the nozzle Fig.9 Schematic of the parallel feeding nozzle:(a)geometrical 3 结论 model;(b)finite grid model (1)侧进式喷嘴，采用磨料从喷嘴侧面对称位置 休积分数/% 00R 进入混合腔，磨料粒子与高速水流直接接触，有些磨料 94.8 898 被水射流直接带走，有些磨料飞溅到混合腔壁面，再反 848 弹到水射流表面.由于水射流直径小、速度高，磨料很 79.8 74.9 难进入水射流中心，流场混合不均匀，降低了水对磨料 69.9 64.9 的能量传输效率. 59.9 54.9 (2)切进式喷嘴，由于高压水射流引射作用，磨料 499 44.9 沿混合腔切线方向进入混合腔时，一边旋转，一边前 39.9 进，使磨料与水射流得以更充分地混合，同时也减少了 34.9 磨料粒子相互碰撞，从而可以提高磨料射流的除鳞能 20.0 力.但切进式喷嘴会增加喷嘴内部的磨损，因此，需要 15.0 998 采用更耐磨的材料. 4.99 (3)平行多射流式喷嘴，多股水射流的引射作用 强，而磨料射流直径相对较大，卷吸磨料的能力强，磨 图10磨料体积分数云图 Fig.10 Contours of the abrasive volume fraction 料与水混合均匀性最好，实际工作中还可以根据需要 对水射流的流量及作用方式进行调节 合效果有了明显的改善，出口截面磨料分布相当均匀， 4个对称布置的平行水入口很好地冲散了聚集在端面 参考文献 附近的磨料，使磨料在喷嘴内分布比较均匀，混合效果 [Ren J X.Physical Cleaning.1st Ed.Beijing:Chemical Industry 比较理想.实际工作中还可以根据需要对水射流的流 Press,2000
刘国勇等: 后混合磨料水射流除鳞喷嘴内部流场数值模拟 图 8 喷嘴内部流场速度矢量图 Fig． 8 Velocity vector of the flow field inside the nozzle 图 9 磨料平行式喷嘴示意图 . ( a) 几何模型; ( b) 有限元网格 模型 Fig． 9 Schematic of the parallel feeding nozzle: ( a) geometrical model; ( b) finite grid model 图 10 磨料体积分数云图 Fig． 10 Contours of the abrasive volume fraction 合效果有了明显的改善，出口截面磨料分布相当均匀， 4 个对称布置的平行水入口很好地冲散了聚集在端面 附近的磨料，使磨料在喷嘴内分布比较均匀，混合效果 比较理想． 实际工作中还可以根据需要对水射流的流 量及作用方式进行调节． 由图 11 可知，由于在磨料入口位置对称布置了 4 股平行的水射流，这 4 股平行的高速水射流单独引起 的负压卷吸作用分布均衡，磨料粒子从中心位置进入 混合腔，在周围 4 股水射流的引射作用下，磨料粒子开 始发散，与四周的水射流混合并加速，很快达到相近速 度． 而 4 股水射流在各自引起的卷吸作用下也发生混 合，由于各个水射流的初始速度相同，使得这一混合过 程非常迅速，最终磨料粒子与水混合达到同一速度，经 由收缩段加速喷出． 图 11 喷嘴内部流场局部速度矢量图 Fig． 11 Velocity vector of the local flow field inside the nozzle 3 结论 ( 1) 侧进式喷嘴，采用磨料从喷嘴侧面对称位置 进入混合腔，磨料粒子与高速水流直接接触，有些磨料 被水射流直接带走，有些磨料飞溅到混合腔壁面，再反 弹到水射流表面． 由于水射流直径小、速度高，磨料很 难进入水射流中心，流场混合不均匀，降低了水对磨料 的能量传输效率． ( 2) 切进式喷嘴，由于高压水射流引射作用，磨料 沿混合腔切线方向进入混合腔时，一边旋转，一边前 进，使磨料与水射流得以更充分地混合，同时也减少了 磨料粒子相互碰撞，从而可以提高磨料射流的除鳞能 力． 但切进式喷嘴会增加喷嘴内部的磨损，因此，需要 采用更耐磨的材料． ( 3) 平行多射流式喷嘴，多股水射流的引射作用 强，而磨料射流直径相对较大，卷吸磨料的能力强，磨 料与水混合均匀性最好，实际工作中还可以根据需要 对水射流的流量及作用方式进行调节． 参 考 文 献 ［1］ Ren J X． Physical Cleaning． 1st Ed． Beijing: Chemical Industry Press，2000 ·33·
·34· 工程科学学报，第37卷，增刊1 (任建新.物理清洗.1版.北京：化学工业出版社，2000) (6):915) 2]Cui M S,Sun J J.High Pressure Water Jet Technology.1st Ed. Xiong J,Lei YY,Yang Z F,et al.Visual research of flow field Beijing:China Coal Industry Publishing House,1993:73 in the nozzle of abrasive water jet based on FLUENT.Lubr Eng, (崔谟慎，孙家骏.高压水射流技术.1版.北京：煤炭工业出版 2008,33(6):51 社，1993：73) (熊佳，雷玉勇，杨志峰，等.基于FLUENT的磨料水射流喷嘴 B]Xue S X.High Pressure Water Jet Technologies and Applications. 内流场的可视化研究，润滑与密封，2008,33(6)：51) Beijing:Machinery Industry Press,1998 Wan J W,Niu Z M,Liao W L,et al.Mixing mechanism of multi- (薛胜雄.高压水射流技术与应用.北京：机械工业出版社， phase flow and acceleration performance in single inlet rear-mixed 1998) jet flow crushing.C/ESC J,2013,64(7)2418 4]Ning YL,Hu S G.Research progress of abrasive water jet.Lubr (万继伟，牛争鸣，廖伟丽，等.单进口后混式射流粉碎中多相 Eng,2002,1:79 流混合机理及加速特性.化工学报，2013,64(7)：2418) (宁原林，胡寿根.磨料射流的研究进展.润滑与密封，2002， [9]Ma Y J,Liang Z,Chen Z.Design of nozzle in abrasive jet for cut- 1:79) ting drill pipe.Mach Des Manuf,2009(5):24 [5]Zhao Y Z,Gao F Y,Wang C L,et al.Experimental research on (马艳洁，梁政，陈卓.磨料射流切割钻杆的喷嘴设计.机械设 the mechanism of cutting materials with rear fixed abrasive efflux. 计与制造，2009(5)：24) J Changshu College,2004,18 (2):50 [o] Liu S L,Zheng Q.Computational Fluid Dynamics.Ist Ed.Har- (赵永赞，高凤阳，王春雷，等.基于后混合式磨料水射流切割 bin:Harbin Engineering University Press,1998 技术机理的探讨.常熟高专学报，2004,18(2)：50) (刘顺隆，郑群.计算流体力学.1版.哈尔滨：哈尔滨工程大 6]Yang X L,Zhang Y L,Wu C X,et al.Simulation research on 学出版社，1998) flow field of abrasive jet in nozle under condition of different mix- [11]Yue X A.Basis of the Liquid-Solid Two Phase Flow.Ist Ed. ing methods.J Liaoning Tech Unie Nat Sci,2008.27(6):915 Beijing:Petroleum Industry Press,1996 (杨新乐，张永利，武春晓，等.不同混合方式下磨料射流喷嘴 (岳湘安.液一固两相流基础.1版.北京：石油工业出版社， 内流场仿真.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008,27 1996)
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