第6期 刘国勇等：前混合磨料水射流除鳞喷嘴混合腔内部流场 ·831· 除鳞所带来的环境污染和产品金属损失大等问题. 位置及倾角0、圆锥段收缩角α、出口直径d、出口 磨料水射流除鳞主要是以高速水流为载体，将动能 圆柱段长度l,与出口直径d1的比值等.通过相关 传递给低速的磨料，通过磨料对靶物的碰撞、冲蚀和 理论及公式得出了喷嘴混合腔的基本几何参数0， 磨削作用将附着在钢板表面的氧化铁皮去除回 如表1所示. 前混合磨料水射流除鳞的工作原理是预先将磨 表1喷嘴混合腔的几何参数 料和高压水在磨料罐中混合成磨料浆体，然后与高 Table 1 Geometric parameters of the nozzle's mixing chamber 压纯水在混合室内进行二次混合，最后通过高压胶 mm 管输送经喷嘴喷出，其原理图如图1所示.普遍 d d da 认为磨料浆体与高压纯水在混合室内的混合己经比 2.8 12 1 39 较均匀，而很多专家学者也是在以上假设的基础上 对前混合除鳞喷嘴的内部流场进行了实验及仿真分 1.2喷嘴混合腔控制方程 析-刀.事实上，如果磨料与高压水混合不均匀将 喷嘴混合腔内实际流体在流动时，均具有黏性， 会加速高压管路和喷嘴的磨损，对除鳞效果也有一 流体在磨料水射流喷嘴混合腔内处于高度复杂的非 定的影响图.本文利用LUENT软件，数值分析了 稳态湍流状态.根据牛顿第二定律和质量守恒定 高压水流量和磨料流量的变化以及混合腔结构参数 律，运用等温不可压缩稳态雷诺时均N一S方程，建 对流场混合均匀性的影响，以达到提高除鳞效果的 立高雷诺数的标准K一ε双方程湍流封闭的数学模 目的 型，控制方程组如下B- 磨料供给量调节阀 磨料罐 喷嘴 连续性方程为 磨料截止阀 高压泵 a=0. (1) ax; 水 混合腔 高压胶管 时均运动方程为 图1前混合磨料水射流除鳞原理图 a(pu:） +日(pu,）= Fig.I Schematic diagram of pre-mixed abrasive water jet for desca- ling (2) 1磨料水射流喷嘴混合腔物理及数学模型 式中：u和p分别为流体速度及密度；x、tf和p分别 为作用流体的位置坐标、时间、作用力和压强：μ为 1.1喷嘴混合物理模型 动力黏性系数；i和j分别为三维直角坐标系中的坐 常见的前混合喷嘴混合腔一般有两种类型入 标方向和速度分量方向，i,j=1,2,3;-puu为雷诺 口，分别为磨料入口和高压水入口回.为使两者得 应力，由Boussinesq假定雷诺应力类比于层流的黏 以充分混合，在喷嘴混合腔的侧面对称设置两个入 性应力，与时均流速梯度成正比，其中 口.设计的喷嘴混合腔物理模型如图2所示 混合腔 ax. (3) 湍动能K方程 a(px)(pKu,) at =+台)]+ 水平 G+Gs-p&-Yw+S (4) 4 X轴 耗散率ε方程 a(ps)a(psu, at 2=u+台)]+ = ax: 图2喷嘴混合腔物理模型 Fig.2 Physical model of the nozzle's mixing chamber CR(c.+C.G)-Cp￡+s (5) K 喷嘴混合腔的主要几何参数有中间入口直径 式中，δ，为克罗内克符号（当i=j时，8=1：当i≠j d3、两侧入口直径d,、混合腔内腔直径d2、两侧入口 时，δ：=0)4为涡黏性系数；K为单位质量的湍流第 6 期 刘国勇等: 前混合磨料水射流除鳞喷嘴混合腔内部流场 除鳞所带来的环境污染和产品金属损失大等问题． 磨料水射流除鳞主要是以高速水流为载体，将动能 传递给低速的磨料，通过磨料对靶物的碰撞、冲蚀和 磨削作用将附着在钢板表面的氧化铁皮去除［2］． 前混合磨料水射流除鳞的工作原理是预先将磨 料和高压水在磨料罐中混合成磨料浆体，然后与高 压纯水在混合室内进行二次混合，最后通过高压胶 管输送经喷嘴喷出［3］，其原理图如图 1 所示． 普遍 认为磨料浆体与高压纯水在混合室内的混合已经比 较均匀，而很多专家学者也是在以上假设的基础上 对前混合除鳞喷嘴的内部流场进行了实验及仿真分 析［4 － 7］． 事实上，如果磨料与高压水混合不均匀将 会加速高压管路和喷嘴的磨损，对除鳞效果也有一 定的影响［8］． 本文利用 FLUENT 软件，数值分析了 高压水流量和磨料流量的变化以及混合腔结构参数 对流场混合均匀性的影响，以达到提高除鳞效果的 目的． 图 1 前混合磨料水射流除鳞原理图 Fig． 1 Schematic diagram of pre-mixed abrasive water jet for desca￾ling 1 磨料水射流喷嘴混合腔物理及数学模型 1. 1 喷嘴混合物理模型 常见的前混合喷嘴混合腔一般有两种类型入 口，分别为磨料入口和高压水入口［9］． 为使两者得 以充分混合，在喷嘴混合腔的侧面对称设置两个入 口． 设计的喷嘴混合腔物理模型如图 2 所示． 图 2 喷嘴混合腔物理模型 Fig． 2 Physical model of the nozzle’s mixing chamber 喷嘴混合腔的主要几何参数有中间入口直径 d3、两侧入口直径 d4、混合腔内腔直径 d2、两侧入口 位置及倾角 θ、圆锥段收缩角 α、出口直径 d1、出口 圆柱段长度 l1 与出口直径 d1 的比值等． 通过相关 理论及公式得出了喷嘴混合腔的基本几何参数［10］， 如表 1 所示． 表 1 喷嘴混合腔的几何参数 Table 1 Geometric parameters of the nozzle’s mixing chamber mm d1 d2 d3 d4 l1 l2 2. 8 12 1 2 25 39 1. 2 喷嘴混合腔控制方程 喷嘴混合腔内实际流体在流动时，均具有黏性， 流体在磨料水射流喷嘴混合腔内处于高度复杂的非 稳态湍流状态． 根据牛顿第二定律和质量守恒定 律，运用等温不可压缩稳态雷诺时均 N--S 方程，建 立高雷诺数的标准 κ--ε 双方程湍流封闭的数学模 型，控制方程组如下［3 － 4］． 连续性方程为 ui xi = 0． ( 1) 时均运动方程为 ( ρui ) t +  xi ( ρuiuj ) = ρfi － p xi +  xi μ ( ui x ) j + [ － ( ρ u' iu' j ) x ] j ． ( 2) 式中: u 和 ρ 分别为流体速度及密度; x、t、f 和 p 分别 为作用流体的位置坐标、时间、作用力和压强; μ 为 动力黏性系数; i 和 j 分别为三维直角坐标系中的坐 标方向和速度分量方向，i，j = 1，2，3; － ρ u' iu' j为雷诺 应力，由 Boussinesq 假定雷诺应力类比于层流的黏 性应力，与时均流速梯度成正比，其中 － ρ u' iu' j = μt ( ui xj + μj x ) i － ( 2 3 ρκ + μ ui x ) i δij ． ( 3) 湍动能 κ 方程 ( ρκ) t + ( ρκui ) xi =  x [ ( j μ + μt σ ) κ κ x ]j + Gκ + Gb － ρε － YM + Sκ ． ( 4) 耗散率 ε 方程 ( ρε) t + ( ρεui ) xi =  x [ ( j μ + μt σ ) ε ε x ]j + C1ε ε κ ( Gκ + C3εGb ) － C2ε ρ ε2 κ + Sε ． ( 5) 式中，δij为克罗内克符号( 当 i = j 时，δij = 1; 当 i≠j 时，δij = 0) ; μt 为涡黏性系数; κ 为单位质量的湍流 ·831·