·834 北京科技大学学报 第36卷 下，直径增加导致入口的流量也增加. 时磨料容易被两侧的水射流“截住”，掺混后便沿着 由图6的磨料体积分数云图可以很直观地看 壁面流出，入口直径太大时虽然增加了出口磨料的 出，在入口速度一定的条件下，随磨料入口直径的增 体积分数，但是由于磨料质量流量的增加导致了其 加出口段的磨料体积分数逐渐增加，在磨料入口直 动能和重力势能的增加，而流量一定的高压水很难 径大于及小于1.4mm时，喷嘴混合腔内部靠近壁面 将其冲散而进行更好的掺混.因此，综合考虑速度 处均出现了磨料聚集区.这是因为在入口速度一定 变化和流场混合均匀性，磨料入口直径为1.4mm时 的条件下，入口的质量流量与直径成正比，直径太小 流场的性能更好 1300 .300 1210 0 0w 7 0.060 D60 0015 0.015 .05 图6磨料体积分数云图.(a）d3=1.0mm;(b)d山3=1.2mm:(c）d3=1.4mm:(d)d4=1.6mm:(e)d3=1.8mm Fig.6 Contours of abrasive volume fraction:(a)d=1.0 mm:(b)d =1.2 mm:(c)d,=1.4mm:(d)d3=1.6 mm:(e)d3 =1.8 mm 2.2高压水入口直径的影响 在更短的时间内获得了更高的速度.因此，高压水 采用磨料中进式，其他参数不变的情况下，分别 入口直径的增加有助于增强高速水流对于磨料粒子 对磨料入口直径为1.4mm,高压水入口直径为0.4、 的加速作用.而在高压水入口直径为0.4~1.2mm 0.8、1.2、1.6和2.0mm进行模拟，喷嘴混合腔内部 时射流入口速度与出口速度相差很小，说明此时高 流场轴向速度曲线如图7所示，磨料体积分数云图 压水对磨料的加速作用很小，所以这个入口直径范 如图8所示 围是不可取的 40 一高压水入口直径0.4mm 由图8磨料体积分数云图可以直观看出，随着 高压水人口直径0.8mm 高压水入口直径的增加，出口磨料体积分数出现先 0 ,高压水人口直径1.2mm 高压水入口直径1.6mm 增后减的趋势.在磨料流量一定的情况下，磨料入 高压水人口直径2.0mm 20 口直径为1.4mm与高压水直径为1.2mm和1.6 mm作用结果相当，此时整个内部流场的均匀性比 10 较理想.由于前混合磨料水射流中磨料与高压水入 口的速度相差不大，就使得如果两者直径相差太大 则流量相差太大，两者进行能量交换而掺混时必定 0 20 304050 70 位置mm 会产生不均匀，而且随着高压水流量的增加出口磨 图7喷嘴内部流场轴向速度曲线 料浓度也会降低.因此，出于对出口速度、磨料浓度 Fig.7 Velocity curves of the nozzle's mixing chamber internal flow 和流场混合均匀性的综合考虑，取高压水入口直径 field in the axial direction 速度为1.6mm较为合理. 由图7可以看出，随着高压水入口直径的增加， 磨料水射流中，磨料微粒的质量比水大，而且有 整个内部流场沿竖直轴向速度是逐渐增加的.这是 棱角，离散分布在水射流中，大大增加了射流对物体 由于高压水质量流量的增加使得单位体积内高压水 的冲击力和磨削力.对于磨料入口直径和高压水入 的动能增加，与磨料掺混而将更多的能量传递给磨 口直径的模拟，实质上是对入口质量流量的比较分 料粒子.在轴向距离入口25~40mm处的收缩段， 析，由于前混合磨料水射流喷嘴混合腔高压水入口 直径较大时，速度增大得更快.这说明在喷嘴混合 速度uw和磨料入口速度ua具有ug=(0.7~0.9)uA 腔收缩段随着高压水入口直径的增加使得磨料粒子 的关系，当磨料入口直径与高压水入口直径分别为北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 下，直径增加导致入口的流量也增加． 由图 6 的磨料体积分数云图可以很直观地看 出，在入口速度一定的条件下，随磨料入口直径的增 加出口段的磨料体积分数逐渐增加，在磨料入口直 径大于及小于 1. 4 mm 时，喷嘴混合腔内部靠近壁面 处均出现了磨料聚集区． 这是因为在入口速度一定 的条件下，入口的质量流量与直径成正比，直径太小 时磨料容易被两侧的水射流“截住”，掺混后便沿着 壁面流出，入口直径太大时虽然增加了出口磨料的 体积分数，但是由于磨料质量流量的增加导致了其 动能和重力势能的增加，而流量一定的高压水很难 将其冲散而进行更好的掺混． 因此，综合考虑速度 变化和流场混合均匀性，磨料入口直径为 1. 4 mm 时 流场的性能更好． 图 6 磨料体积分数云图． ( a) d3 = 1. 0 mm; ( b) d3 = 1. 2 mm; ( c) d3 = 1. 4 mm; ( d) d3 = 1. 6 mm; ( e) d3 = 1. 8 mm Fig． 6 Contours of abrasive volume fraction: ( a) d3 = 1. 0 mm; ( b) d3 = 1. 2 mm; ( c) d3 = 1. 4 mm; ( d) d3 = 1. 6 mm; ( e) d3 = 1. 8 mm 2. 2 高压水入口直径的影响 采用磨料中进式，其他参数不变的情况下，分别 对磨料入口直径为 1. 4 mm，高压水入口直径为 0. 4、 0. 8、1. 2、1. 6 和 2. 0 mm 进行模拟，喷嘴混合腔内部 流场轴向速度曲线如图 7 所示，磨料体积分数云图 如图 8 所示． 图 7 喷嘴内部流场轴向速度曲线 Fig． 7 Velocity curves of the nozzle’s mixing chamber internal flow field in the axial direction 由图 7 可以看出，随着高压水入口直径的增加， 整个内部流场沿竖直轴向速度是逐渐增加的． 这是 由于高压水质量流量的增加使得单位体积内高压水 的动能增加，与磨料掺混而将更多的能量传递给磨 料粒子． 在轴向距离入口 25 ～ 40 mm 处的收缩段， 直径较大时，速度增大得更快． 这说明在喷嘴混合 腔收缩段随着高压水入口直径的增加使得磨料粒子 在更短的时间内获得了更高的速度． 因此，高压水 入口直径的增加有助于增强高速水流对于磨料粒子 的加速作用． 而在高压水入口直径为 0. 4 ～ 1. 2 mm 时射流入口速度与出口速度相差很小，说明此时高 压水对磨料的加速作用很小，所以这个入口直径范 围是不可取的． 由图 8 磨料体积分数云图可以直观看出，随着 高压水入口直径的增加，出口磨料体积分数出现先 增后减的趋势． 在磨料流量一定的情况下，磨料入 口直径为 1. 4 mm 与高压水直径为 1. 2 mm 和 1. 6 mm 作用结果相当，此时整个内部流场的均匀性比 较理想． 由于前混合磨料水射流中磨料与高压水入 口的速度相差不大，就使得如果两者直径相差太大 则流量相差太大，两者进行能量交换而掺混时必定 会产生不均匀，而且随着高压水流量的增加出口磨 料浓度也会降低． 因此，出于对出口速度、磨料浓度 和流场混合均匀性的综合考虑，取高压水入口直径 速度为 1. 6 mm 较为合理． 磨料水射流中，磨料微粒的质量比水大，而且有 棱角，离散分布在水射流中，大大增加了射流对物体 的冲击力和磨削力． 对于磨料入口直径和高压水入 口直径的模拟，实质上是对入口质量流量的比较分 析，由于前混合磨料水射流喷嘴混合腔高压水入口 速度 uW和磨料入口速度 uA具有 uW = ( 0. 7 ～ 0. 9) uA 的关系，当磨料入口直径与高压水入口直径分别为 ·834·