空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟及影响因素研究

【摘要】：空化水喷丸(WCP)是一种新型的金属表面强化工艺,该工艺利用微小空化汽泡溃灭时产生的冲击波压力和高速微射流来打击金属材料表面,从而达到强化金属零部件的目的。由于空化汽泡群在水中具有极强的流动性,所以空化水喷丸在对一些表面形状复杂的零部件进行强化时具有极好的适应性,尤其是当零部件表面存在一些细小凹槽时,空泡群中的微小空泡可深入其中对其强化。因此,在工程上越来越多的研究人员开始关注这项新型表面强化技术。到目前为止,大多的研究结果可以证明,空化水喷丸可以有效地在金属表层诱导残余应力从而达到提高零部件疲劳寿命的目的,并且空化水喷丸强化后的金属材料表面粗糙度更低。但是,针对该工艺中空化现象的研究,尤其是对喷嘴空化性能的研究还相对较少,这从很大程度上阻碍了空化水喷丸工艺的进一步完善。本文采用数值模拟技术研究空化水喷丸工艺中缩放型喷嘴的空化行为,并选择FLUENT软件中标准k-ε湍流模型、Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化水喷丸工艺中缩放型喷嘴内外的空化流场进行数值模拟。对模拟结果的分析表明:当高压液体进入缩放型喷嘴时,可在喷嘴扩张段内产生剧烈的空化现象;由于扩张段内的速度突然下降导致大量的空化汽泡在扩张段内短暂停留并膨胀,所以在喷嘴扩张段区域的汽含率最高;在入口压力一定的条件下:当喷嘴扩张角不变,喷嘴喉部直径越大,喷嘴喉部的压力值就越低,从而使缩放型喷嘴的空化效果增强;当喷嘴喉部直径不变,喷嘴扩张角越小,喷嘴喉部的压力值同样会越低,缩放型喷嘴的空化效果增强。本文利用Fujifilm压敏试纸测定了不同靶距下空化射流的冲击压力分布情况。结果表明:当靶距在90~150 mm之间时,其冲击压力均维持在相对较高水平(290MPa以上),因此在这个范围区间内比较适合空化水喷丸强化工件;压敏试纸测出的冲击压力最高可达300MPa,其数值远高于喷嘴入口压力32MPa,这证明了缩放型喷嘴可使射流产生剧烈的空化现象。