锥直喷嘴淹没磨料水射流的数值模拟

【摘要】：磨料水射流是一种新型加工方法,磨料水射流具有系统简单、成本低廉,切割效率高的特点。磨料水射流在清洗、除锈、切割和破碎岩石作业中得到了广泛的应用。在磨料水射流系统中,喷嘴的几何结构和射流的工况条件对射流的效果有着重要的影响,喷嘴是形成水射流工况的直接元件,直接影响射流的流动特性和动力性能,并且不同射流工况条件下的射流效果也不同。因此,优化喷嘴几何结构,建立喷嘴结构参数与其射流流场特性之间的关系、选择最佳的射流工况条件对提高射流效率有重要意义。 本文利用FLUENT软件,对锥直喷嘴在淹没条件下的前后混合磨料射流进行了数值模拟。对于前混合磨料射流,分析了喷嘴的结构参数:收缩角α、喷嘴出口直径d、喷嘴出口圆柱段的长径比L_3 /d和不同的射流工况条件:磨料的直径d_p、体积分数n_p ,入口压力p_(in),出口围压p s,射流靶距S对磨料水射流流场特性的影响。结果表明:随着收缩角α的增大,射流的轴心速度和压力都随之减小,当α= 13o时射流效果最佳;随着喷嘴出口直径d的增加,射流轴心速度和压力随之增大;喷嘴长径比L_3 /d对射流的影响不大;低浓度大粒径的磨料水射流效果好;射流的轴心速度和压力随着入口压力的增大而显著增大;射流的轴心速度和压力随着围压的增大而减小;射流靶距S = 100d时,射流的轴心速度和压力最大。对于后混合磨料射流,分析了喷嘴结构参数:混合腔直径D _q、混合腔长度L_q ,混合腔长度L_g和不同的射流工况条件:通保护气及保护气入口速度u _a对射流流场特性的影响。结果表明:大直径小长度混合腔、长混合管的喷嘴的射流效果好,通保护气后使得射流性能得到改善,保护气的速度增大时其对射流的保护作用增强,并且当u _a= 250m/s时,射流的轴心速度和压力最大。