高压水射流的CFD仿真及分析

1、高压水射流的CFD仿真及分析*陈春,聂松林,吴正江,李壮云(华中科技大学机械学院,湖北武汉430074摘要:利用计算流体动力学(CFD的方法对高压水射流进行了多相流的数值模拟,侧重研究在稳态湍流下的两相流和三相流条件下的水射流的动态特性,比较分析了淹没射流与非淹没射流下磨料水射流与纯水射流的区别,并对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究,结果表明,非淹没条件下磨料水射流是高压水切割工具的有效形式。关键词:高压水射流;多相流;淹没流与非淹没流;数值模拟中图分类号:TH137 文献标识码:A 文章编号: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!"前言高压水射流切割技术是近年来迅速发展起来的新型射流技术,其切割原理就是利用几十至几百兆帕的磨料水,通过特殊设计的、孔径极小的喷嘴,以每秒几百米的高速喷出磨料水射流的冲击作用、剪切破断作用和气蚀作用来分割工件。水能切割,它不同于传统的切削加工,水切割无切削热,切割面变形小,无毛刺,生产过程无污染,工作环境友好,符合环保要求。传统的射流计算准确性差,往往需要大量的试验才能获得相对理想的结果。高压水射流切割常涉及到非淹没连续自由射流,是固、液、气三相混合的介质射流,机

6、理复杂,它除涉及经典流体力学外,更多地涉及到高速多相流、激波、声阻抗等现代物理及流体动力理论,迄今很难完全利用纯解析法来研究和分析。借助CFD的思想和计算机仿真,我们能方便有效地分析射流的动静态特性,这种可视化的方法不仅能使得流场可以定性地呈现,而且能定量地捕捉到流场各处的速度、压力和各相耦合强度等重要参数,为我们在射流工具的设计和优化方面提供了有效的手段。#"模型的建立与计算1.1 网格划分和条件设置考虑到射流条件的对称性,在网格划分和求解中可以采用2-D的轴对称模型。图1 模型的网格结构图图中:AB为喷嘴的出口及求解域的速度入口;BC为固定挡板;CD、DE为空气压力入口;AE为求

7、解域的对称轴。仿真采用如下参数设置为:喷嘴直径D= 0.8mm,流道圆锥型,喷嘴出口速度600800m/s;磨料柘榴石,磨料流量45kg/min,密度约3500kg/m3,颗粒直径DP为0.1mm,0.15mm,0.25mm;空气入口压力为标准大气压,密度1.225kg/m3,动力粘度1.78X10-5Pas,温度20C;水密度1X103kg/m3,动力粘度0.001Pas。1.2 数学模型模型中涉及到磨料颗粒、水、空气三相的混合流动,水和空气连续相采用欧拉多相流中的VOF模型,磨料与水的耦合作用采用离散相模型。流体相之间的界面跟踪是通过求解一个或者多个容积组分的连续性方程而实现的,对于G相,

8、连续性方程为:!G!W+”U"!G=S!G"G31*基金项目:国家自然基金项目(50375056 一般情况下方程右边的源项是0,容积组分方程对主要相是不求解的;主要容积组分基于以下限制条件计算:Z Ig =l g =l通常,对I 相系统,容积比率平均密度采用如下形式: =Z g g一个简单的动量方程在整域求解,得到速度场由这些相共享。动量方程取决于通过属性 和 的所有相的容积比率:!t ( ”1+!( ”1”1=-"p +" ("”1+"”1T+ ”g + F 射流流场处于高湍流状态,所以采用广泛应用的标准k - 方程模型,湍流动能方

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 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能。G b 是由浮力产生的湍流动能,Y M 由于在可压缩湍流中,过渡的扩散产生的波动,C l 、C 2、C 3是常量, k 和 e 是k 方程和e 方程的湍流Prandtl 数,S k 和S e 是用户定义的。湍流速度 t 由下式确定 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!"流场仿真及结果分析2.l 淹没流与非淹没流的比较淹没射流和非淹没射流的射流结构是不一样的,淹没射流以孔内具有一定静压力的水为工作介质,摩阻大,在前进过程中不断卷吸周围的液体向周围扩散,能量损失大,导致沿轴向速度衰减迅速。非淹没射流在空气中进行,工作介质为空气,射流与外界能量交换少,相应阻力损失小,射流的等速核长。图2 淹没与非淹没射流图2中模拟了相同条件下的两种射流情况,可以看出非淹没流的等速核长度远大于淹没流的等速核长度。图3中采用3组不同速度进行淹没射流,高压水高速通过喷嘴射流到静压水中时,由于

11、压力突然降低,速度会瞬时增大,在距喷嘴出口68倍D p 的地方达到最大,然后由于射柱周围水阻的影响而很快衰减。图3 淹没流中心速度图图4 垂直方向上速度图图4中采用700m /S 射流,淹没流中在距离喷嘴近的地方水柱在垂直方向上速度衰减最快,因为喷嘴附近地方流速相当大,湍流量大,与周围静压水的作用,速度下降幅度最明显。非淹没流中由于空气对水柱的影响不像水那么大,速度衰减很慢。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,这是因为高压水射流到空气中水柱中心还存在残余压力,压力势能还未完全释放为动能形式,随着射流的发展,水柱有略微膨胀发散的趋势,在截面5mm 、l5mm

12、、25mm 处反映明显。2.2 喷嘴对射流的影响图5 圆柱、圆锥、锥直型喷嘴选择图5中D =0.8mm 的喷嘴,以相同的入射条件,在淹没流下射流,取射柱截面的平均速度进行分析,速度曲线如图6所示。如果截面扩散程度大,意味着速度耗散加剧,必将引起截面轴向平均速度下降,在通常的射程范围内圆锥型喷嘴具有一定的优势。这是因为圆锥型喷嘴具有圆滑的过渡,流线性能!"#机床与液压2006.NO. 2好,容易将射流形成包裹体,增加射流内聚力,圆柱型和锥直型通过了一段水平喷嘴管路的引导,喷射出口速度过渡相对比较平滑,内聚力不够。射流的扩散点及稳定性与射流的速度相关,从喷嘴出口到扩散点图6 淹没流中不同

13、喷嘴比较圆锥型的距离要长;另外,圆柱型和锥直型的局部阻力损失较大会引起喷嘴进出口的压力不相等,圆锥型很好地避免了这一问题。2.3 淹没与非淹没流下磨料的流动特性采用!"分别为0.lmm 、0.l5mm 、0.25mm 的磨料颗粒分别以800m /s 出口速度由圆锥型喷嘴进行淹没与非淹没射流,#"为颗粒速度,#"0为颗粒喷嘴出口处的速度。由图7可知在由喷嘴混合腔中到喷嘴出口的短距离中,颗粒与水存在一定的滑移速度,颗粒还来不及完全被高速水流加速到最大速度,在距离出口(57!处速度达到最大,然后开始衰减。图7 水平方向上磨料速度比值图图8 垂直方向上磨料速度图(!&qu

14、ot;=0.lmm 对!"=0.lmm 的颗粒进行垂直方向上的速度分析,分别截取水柱上的3个不同截面,随着水平距离的增加,水柱截面上颗粒的平均速度是逐渐变小,跟上面对水的分析结果一致,不同的是,截面上速度最大位置是在中心线上,与水不同,因为固体不可压缩,其能量完全以动能的形式表现出来。随着能量的不断耗散,固体颗粒比水的衰减要慢,直径0.25mm 的颗粒比0.lmm 、0.l5mm 颗粒的速度衰减要慢,这是因为质量的不同导致惯性的不一样。所以在切割中,一般选择6080目的颗粒,由于喷嘴直径的限制,颗粒直径也不能过大,否则会是喷嘴磨损加剧,局部阻力变大,达不到预定效果。另外,通过仿真我们

15、发现在高压水射流的过程中,一方面由于外界因素(空气或静压水对射柱的影响,另一方面由于颗粒与水在质量和动力粘度上的差异,造成磨料颗粒在射柱中的分布并非均匀,颗粒在的射流中存在局部聚合的趋势,这样会引起颗粒的相互碰撞加剧,能量损失加大,影响了射流切割的性能。!"结束语本文利用CFD 的思想对高压水射流的流场进行了可视化的模拟仿真。磨料射流存在连续性,冲击脉动的作用时间将有利于整个切割过程,磨料射流中心的接触压力保持略高于冲击动压,能产生很高的冲击应力。磨料射流与水射流相比,由于磨料的混入,使射流对物料的作用由水质的滞止动压冲蚀,变为磨料的冲击动压冲蚀,在同样的射流功略下,将产生更大的切割

16、效能,所以磨料射流能力是远大于纯水射流的根本原因。通过对整个流场的物理量的分析,结果表明:射流在淹没流下的能量的耗散要远大于非淹没流,其等速核也远小于非淹没流的等速核;圆锥型的射流喷嘴在射流效果方面要好于圆柱型和锥直型;在射流过程中不同直径的磨料对水的速度影响不大,磨料直径小的比颗粒直径大的速度衰减得快;靶距选择距离喷嘴出口(58!处比较合适,此时的磨料颗粒和水柱的速度均达到最佳。仿真结果在与射流切割试验的数据比较中均相吻合,所以本文的研究分析对高压水射流工具的设计及优化方面均有着重要的作用。参考文献AWJ driiiing C .In :Proceedings of the l4th Interna-tionai Conference on Jetting Technoiogy ,Beigium ,l998:l524.版社,l998.【6】沈忠厚.水射流理论与技术M .石油大学出版社,2000.作者简介:陈春(l982,男,湖北武汉人,硕士生,研究方向为海(淡水液压传动。电话:027-*,E -maii :stoneman477 。收稿时间:2004-ll -09 高压水射流的CFD仿真及分析作者:陈春, 聂松林, 吴正江, 李壮云, CHEN Chun,