微磨料水射流喷嘴优化研究

【摘要】：喷嘴是微磨料水射流的关键部件。本文利用计算流体力学仿真软件FLUENT对喷嘴结构进行多相流的数值模拟,探究其几何参数对其内部流场的影响,优化出切割性能较好的喷嘴结构。 论文对五种宝石喷嘴进行非稳态、湍流、气液两相的内外流场的数值模拟,以喷嘴设计准则为评判标准,发现指数型宝石喷嘴性能最优,其次是锥直型。圆弧型和锥形的切割性能一样,而平顶型宝石喷嘴综合指标最差。 论文对混合腔和聚焦管内部进行非稳态、湍流、两相流的数值模拟,通过分析发现收敛角α对磨料出口速度影响不大,但越小,越有利于流动,且避免了磨料在聚焦管入口处聚集而导致聚焦管磨损和堵塞;当聚焦管直柱段长度为聚焦管出口直径的30倍左右时,磨料出口速度最大;聚焦管出口直径越小,磨料出口速度越大,但聚焦管出口直径越小,混合腔内部形成的负压越小,不利于磨料的吸入。综合分析,聚焦管出口直径应以水喷嘴直径3倍左右为宜。 论文对喷嘴结构的外流场进行自由射流模拟,发现非淹没微磨料水射流存在基本段和主体段,且射流在基本段存在等速核。 对喷嘴结构的外流场进行冲击射流模拟,分析发现不仅存在基本段和主体段,还存在壁面流动区。同时,在靶距不同时射流沿轴向速度分布存在相似性。在靶距小于自由射流等速核长度时,射流沿轴向的速度一直保持出口速度,直至到达壁面时才开始急剧下降,直至为零。当靶距大于自由射流等速核长度时,射流沿轴向速度保持出口速度,但在到达壁面之前已经开始缓慢下降,直至为零,同时发现靶距越小,滞止点处压力越大。因此,切割用靶距设置越小越好。有机玻璃的切割实验证明了外流场冲击射流模拟结论的正确性。