基于CFD的高压水射流喷嘴结构设计与流场仿真.pdf

2023Dec.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年12 月No.12Vol.40第40 卷第12 期机设计械基于CFD的高压水射流喷嘴结构设计与流场仿真程沐铮，蔡毅，陈丽缓，李永福（北华航天工业学院机电工程学院，河北廊坊065000)摘要：文中介绍了高压磨料水射流系统的组成部分、基本原理和主要参数，指出喷嘴是高压水射流系统的能量转换元件，喷嘴的构造直接影响高压水射流的成形情况。通过对比传统喷嘴，设计出全过渡式子弹形喷嘴。基于计算流体力学（CFD)的方法，建立有限元模型进行流场分析，结合理论推导的方法验证了有限元模型的精确性，通过对比不同过渡比下喷嘴的内外流场，得到喷嘴内外流场的速度和动压力随过渡比的变化曲线，揭示了变化机理。计算结果表明：流道形状是引起静压转化为动压效率发生改变的主要原因之一，子弹形喷嘴射流集束性好、扩散小，静压转化动压效率高，通过改变过渡比能够显著提高射流速度，对实际工况有一定指导意义。关键词：高压水射流；子弹形喷嘴；有限元；高压水射流系统中图分类号：TP69文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 35 4(2 0 2 3)12-0 0 7 9-0 7Structure design and flow-field simulation of high-pressurewater jet nozzle based on CFDCHENG Muzheng,CAI Yi,CHEN Lihuan,LI Yongfu(Department of Mechanical and Electrical Engineering,North China Institute ofAerospace Engineering,Langfang 065000)Abstract:In this article,efforts are made to introduce the high-pressure abrasive water jet system s components,basicprinciple and main parameters.It is shown that the nozzle is the energy-conversion element of the high-pressure water jet system,whose structure directly affects the processing of the high-pressure water jet.By comparing with those traditional nozzles,a full-transition bullet nozzle is designed.Based on the method of computational fluid dynamics(CFD),the finite-element model is setup and the flow-field is analyzed.With the help of theoretical derivation,it is verified that this finite-element model is accurate.By comparing the nozzles internal and external flow fields with different transition ratios,the curves of both the velocity and thedynamic pressure of the nozzles internal and external flow fields changing with the transition ratio are identified,and the mecha-nism of changes is revealed.The calculation results show that the shape of the flow channel is one of the main reasons for thechange in efficiency from the static pressure to the dynamic pressure.The bullet nozzle has good jet convergence,small diffusion,and high efficiency in changing from the static pressure to the dynamic pressure.By changing the transition ratio,the jet velocitygreatly improves.This study has guidance for actual working conditions.Key words:high-pressure water jet;bullet nozzle;finite element;high-pressure water jet system*收稿日期：2 0 2 1-10-13；修订日期：2 0 2 3-0 6-15基金项目：国家自然科学基金（5 18 7 40 12）；河北省研究生创新资助项目（CXZZSS2022132）80机计设第40 卷第12 期械随着人类活动范围的不断增大，人类经历了从海陆到天空的不断跨越。各国不断发展航空器和航天器以争夺太空资源。因此，迫切需要航天器和航空器相关制造业的发展。航天制造业是航天器和航空器的基础和发展的基石，航空器和航天器能飞多远，很大程度上取决于制造业的发展。航空器和航天器的部分零部件属于特殊材料，在制造的过程中需要严格把控温度。数控铣削和车削等在内的传统机加工技术在加工过程中会产生大量的热，特别是在加工碳纤维等复合材料时会破坏内部结构,直接降低材料性能和加工质量,所以对于特定材料呕需寻求一种新的加工技术高压水射流加工技术就是一种应用范围广，适合于特殊材料加工的冷态加工技术，可用于工件的切割、铣削和车削等,逐渐在航空航天制造业中占据了越来越重要的地位。喷嘴是高压水射流系统中的重要部件，喷嘴结构的变化能够引起水射流流场中流速、压强和聚集性等性能参数较大的改变,进而影响加工效率和质量。文中通过设计不同的喷嘴结构参数，对喷嘴内部和外部流场进行仿真模拟，得到特定人口边界条件下流场随喷嘴结构变化的规律,对工程实际有一定的参考价值。1研究机理将不可压缩液体在空间直角坐标系中的表达式描述为连续性方程(1a(pu,a(pu,a(pu.)0(1)+dtdyz式中：p流体密度；时间；一速度矢量在方向的分量；速度矢量v在y方向的分量；速度矢量v在z方向的分量。在雷诺平均方程中，速度分量被分解为时间均值和脉动分量：U;=0;+(2)式中：速度失量v在i方向的分量，i=x,y，z;i方向的时间平均速度分量；一i方向的脉动速度分量。在模拟过程中，高速射流以流形式存在,RNGk-8端流模型比较适合此次仿真的模拟,RNGk-8流方程为：aktaXGk+G,-p8-YM+Sk(3)+ffataX8C(Gk+C3eG,)-16kRe+S(4)k式中：k一一清端流动能；X,X-张量形式,表示,y,z;.-k和：的反有效普朗特数；ef有效分子黏度；G一层流速度梯度产生的流动能；G.浮力产生的湍流动能；8流耗散率；Ym,Cie,C2e,Cse常量;S,S,-用户自定义源项；Re一雷诺数。2高压水射流系统如图1所示，高压磨料水射流系统主要由以下几部分组成：液压增压系统、高压水路、传动控制系统、喷射系统、磨料供给系统、收集器和工作台等。液压增压系统是高压水能量形成的主要原因，核心部件是液压增压器,增压比为2 0：1,增压系统油压的改变可以调节增压系统的输出水压，通过增压，可将水压提高100500MPa,甚至更高；高压水路用来传递高压水，为满足高要求工件加工需求，喷嘴需要灵活调整位置，因此，高压水路常使用耐超高压和挠性强的不锈钢管，并在连接处配有多个旋转管接头；高压水射流传动系统多采用以计算机数字控制机床(CNC)控制系统运动的高自由度传动系统控制方式；高压磨料水射流喷射系统是能量转换系统，包括开关阀、宝石水喷嘴和使磨料与水射流混合的磨料喷嘴；供给磨料系统为纯水射流提供磨料，磨料与高速水射流在磨料喷嘴的混合腔内混合加速，由高速水射流携带磨料冲击工件，磨料的冲击是工件侵蚀的主要原因；供给磨料系统由磨料流812023年12 月程沐，等：基于CFD的高压水射流喷嘴结构设计与流场仿真量阀、输料管和料仓组成，为磨料水射流提供磨料，磨料仓可储存10 L磨料浆液；工作台用于工件的装夹与固定，台面尺寸为116 8 mm787mm，X,Y轴行程为737和6 6 0 mm，喷嘴Z轴行程为15 0 mm；收集器位于工作台下方，用来减小污染、消耗剩余射流能量和保护安全等2 蓄能器喷射系统高压水路磨料供控制系统给系统工作台液压增压系统文收集器图1高压水射流系统示意图3流线型喷嘴设计及分析如图2 所示为流线型喷嘴内流道示意图，其主要几何参数为：人口、出口外径D，和D2，人口、出口内径d，和d,过渡圆弧半径d,总长度L及过渡圆弧半径与总长度之比d/L（过渡比）。L图2流线型喷嘴内流道示意图设计原则：(1)出人口内外直径设计喷嘴出人口时，主要考虑流量和喷嘴结构的稳定性，出人口内径差越大，水射流的流值越大，喷嘴结构越不稳定，喷嘴使用寿命缩短；反之，喷嘴出人口直径差越小，水射流流值越小,喷嘴结构稳定3。喷嘴外径与内径相差越大,喷嘴壁越厚，水射流在相同流值、压强值条件下喷嘴结构越稳定。(2)长径比喷嘴长径比不仅决定喷嘴的类型是细长型喷嘴还是薄壁型喷嘴，而且直接影响水射流流量系数。根据流体力学，细长型喷嘴流量系数比薄壁型喷嘴更大，喷出喷嘴后的水射流动压转化率更高，因此，使用细长型喷嘴4(3)过渡比喷嘴过渡圆弧半径与喷嘴长度之比为过渡比。全过渡式子弹型喷嘴出口和人口用过渡圆弧相连，过渡圆弧是从圆上截取的一段曲线，人口和出口相对位置不变，改变圆弧半径进而改变过渡比。过渡比反映了喷嘴过渡段的大小和内轮廓的光滑程度，在所有结构尺寸参数中影响最大5 文中主要研究渐缩型喷嘴，因此，过渡比最小时，人口处流道切线应为水平，此时过渡圆弧半径为2 12.5 mm。圆弧半径为2 38 mm接近最小半径，当圆弧半径为110 7.5 mm时，曲率约为0.0 0 0 9，非常接近直线，过渡比为11.0 7 5，此过渡比足够大，故圆弧半径研究区间为2 38 110 7.5 mm，足以表达研究内容的变化趋势。将过渡圆弧半径2 38 1107.5mm等分为12 段，每一段间距为7 2.5 mm，研究射流流场随过渡比的变化。根据以上设计准则，喷嘴结构尺寸参数如表1所示，过渡比如表2所示，零件图和装配图以最小过渡比2.38 为例，如图3 图5 所示第40 卷第12 期82计设机械表1流线型喷嘴结构尺寸参数mm入口内径出口内径总长度506100表2流线型喷嘴不同过渡比过渡圆弧总长度/过渡圆弧总长度/过渡比过渡比半径/mmmm半径/mmmm2381002.387451007.45310.51003.105817.51008.1753831003.838901008.9455.51004.555962.51009.6255281005.28103510010.35600.51006.0051 107.510011.0756731006.73高压流线型喷嘴由水射流喷嘴和磨料喷嘴两部分组成，各部分尺寸如图3，4，5 所示，未标注倒角为C3，未标注圆角为R3，表面粗糙度均为1.6m，水射流喷嘴和磨料喷嘴整体采用AISI4340低合金超高强度钢，通过淬火和低温回火工艺制造而成。经低温回火，可使AISI4340低合金超高强度钢的抗拉强度达到15 0 0 2 0 0 0 MPa，且缺口冲击韧性高。水射流喷嘴和磨料喷嘴采用螺纹密封配合，密封性良好6 M72x10.8050.0031R238001图3流线型喷嘴零件图40M7210.8205500.001536152图4磨料喷嘴零件图流线型喷嘴20152磨料喷嘴图5高压流线型喷嘴装配图4有限元模型对高压磨料水射流工作环境进行合理简化建立全过渡式子弹形喷嘴力学模型。型。当高压磨料水射流流经喷嘴时，不考虑空化能量损失，假定进口处水射流匀速且呈紊流流动，水介质呈各向同性7 。设置喷嘴人口压强为2 0 MPa，人口速度为2 0 m/s，建立高压磨料水射流流体域力学模型，如图6 所示。出口T壁面二进口图6流体域力学模型根据高压磨料水射流流体域力学模型进行必要假设：（1）喷嘴入口压强和流速一定，流体域出口为自由出口；（2）高压水射流为流流动；（3）忽略射流空化等产生的能量损失8 。网格划分是进行流体力学计算的基础，因此，网格的质量和数量直接决定计算流体力学送代过程的收敛性，以及计算结果的精确度，为了提高网格质量，采用多域划分的方法9。文中喷嘴模型的网格细节如表3所示，多相流模型选择VOF模型。网格示意图如图7 所示，介质参数如表4和表5 所示，边界条件如表6 所示表3网格详细信息单元数量节点数网格正交质量系数网格横纵比质量系数2219862363040.973 11 0.052 17 2254882400210.973550.053126832023年12 月程沐铮，等：基于CFD的高压水射流喷嘴结构设计与流场仿真图7喷嘴模型网格划分图表4水参数密度/(kg/m)表面张力/（N/m）黏度/(Pas)998.20.071940 40.002.98表5氧化铝磨粒的主要参数标准直径/m密度/g/cm)莫氏硬度结晶相3.53.69表6喷嘴模型边界条件人口速度瑞流强度流初始总压相间接触入口水相/(m/s)/%黏度比/MPa角（）体积分数/%2051020701005仿真结果及分析图8 中，假设图中每个小球是一个流体微团，水流方向是水平的，在入口条件一致的情况下，喷嘴流道切线与水流方向会有一个夹角，越大，流体微团与喷嘴管道内壁的碰撞效果越明显，相互之间的作用力越大，喷嘴入口和边界层水流会对喷嘴内部的流体有更强的挤压作用。即在喷嘴出入口直径相等的情况下，压强越大，反弹膨胀时射流的速度越高。喷嘴内部流体微团运动示意图如图8所示。切线OOOOO6福OOOOOOOO图8喷嘴内部流体微团运动示意图按参数表1 6 对喷嘴流场进行仿真试验，求解动量方程。依据仿真数据制作在相同入口边界条件下各个结果指标与过渡比关系的曲线，包括不同过渡比时全流体域轴线最高速度随过渡比变化规律曲线、不同过渡比时全流体域轴线最大动压值随过渡比变化规律曲线，如图9 10 所示16801660(s/叫l)/单售16401620160015801560124681012过渡比图9轴线最高速度随过渡比变化规律140013801360134013201.3001280126012401220120024681012过渡比图10轴线最大动压值随过渡比变化规律由图9可看出，过渡比在2 12 之间时，过渡比增大，轴线最高速度降低。随着过渡比的不断增大，喷嘴内流道曲率变化越来越小，切线和水平线夹角的变化越来越小，喷嘴内部压强趋于稳定，所以速度随过渡比的变化呈反比例函数趋势。过渡比为2.38 时，轴线最高速度的值最大，约为16 7 0 m/s，过渡比为11.0 5 7时，轴线最高速度的值最小,约为15 6 5 m/s。由图10 可知，由于动压与速度的平方成正比，所以动压曲线与速度曲线规律基本一致。轴线最大动压值最大，为1390 MPa左右，过渡比为11.0 5 7 时，轴线最大动压值最小，约为12 2 0 MPa。图11为不同过渡比下轴线动压值变化规律。在50100mm之间水射流的动压值显著增大，原因主要有二：第一，对于充满同一管道的不可压缩流体，84机计设械第40 卷第12 期在同一时刻不同截面的流量是相同的，当截面积减小时速度就会提高，这是主要原因；第二，水在高压下是可以压缩的，过渡比越小，水流压缩越明显，压强越大，反弹膨胀越明显，射流速度越快，这是次要原因。1600140012001000度比为2.38此为3.10 5800度比为3.8 3度比为4.5 5 5600度比为5.2 8比为6.0 0 5比为6.7 3400比为7.45度比为8.17 5200渡度比为9.6 2 50过度比为10.35过渡比为11.0 7 5-2000100200300400500600轴向距离/mm(a)完整曲线图过渡比为2.38过渡比为3.10 5过渡比为3.8 3过渡比为4.5 5 5过渡比为5.2 8过渡比为6.0 0 5过渡比为6.7 3过渡比为7.45过渡比为8.17 5过渡比为8.9过渡比为9.6 2 5过渡比为10.35过渡比为11.0 7 5(b)局部放大图图11不同过渡比时的动压图因为在所有过渡比中,过渡比为2.38 时的喷嘴动压值最大，重点研究过渡比为2.38 时的喷嘴。图12为过渡比为2.38 时的全流体域水相分布图，由水相图可看出，在6 0 0 mm范围内，水射流集束性较强，分散性小，有利于水射流切割。Phase2.VolumeFractionContourl9.633e-012.126c-018019e-018112c-012605c-017.098c-016.591c-016.084e-015327c-015.070c-014.563c-014.056c-018549e-01.042c-018533e-012.028c-01531c-011.014c-015.070c-020.000c+00图12过渡比为2.38 时的全流体域水相分布图过渡比为2.38 时的喷嘴轴线速度如图13所示，通过处理数据可得介质水在10 0 10 8 mm范围内的速度有一个微小的提升，造成介质水加速的主要原因是在出口周围仍存在一定的压强，如图14所示，介质水受到压强的推动，速度加快。1800160014001200(s/l)/单10008006004002000-2000100200300400500600轴向距离/mm图13过渡比为2.38 时的轴线速度曲线图PressureContour1Pa图14喷嘴出口处静压分布图通过处理数据可得，过渡比为2.38 时,6 0 0 mm射程内流速无明显衰减,约为16 6 9m/s,动压约为1390 MPa，理论上距喷嘴出口为6 0 0 mm内均可有效切割。根据连续性方程：S.V.S(5)二Vininoutout式中：S.人口横截面积，S=0.001 97 m;Tin人口横截面半径；V入口速度；inS出口横截面积，S。TT7=0.000 028 m;outoutTou出口横截面半径；V出口速度。out流体静压和动压可相互转换，转换效率为0 100%。人口静压为2 0 MPa及动压与流体速度关系式为：1Qd(6)式中：Q来流动压；V-来流速度。转化效率为10 0%时，喷嘴人口由静压引起的速度增量为：2QV=6.325 m/sP没有静压影响时，喷嘴入口流速为2 0 m/s，因此喷嘴入口流速最小值为：852023年1 2 月程沐，等：基于CFD的高压水射流喷嘴结构设计与流场仿真V=20 m/sinmin喷嘴人口流速最大值为：V=20+6.325=26.325 m/sinmax根据连续性方程（5），喷嘴出口速度最小值及喷嘴出口速度最大值为：S.inVinmin0.000 625 20V二1 388.8 m/sout.minS0.000 009 元outS.nV0.000 625 26.325ininmaxV:1 528.148 m/soulmaxS0.000.009元out根据动压与流体速度关系式（6），喷嘴出口动压最小值及喷嘴出口动压最大值为：1Q=0.5 1 000 1 388.82 964.5 MPadoutmin2Poutmin10.5 1 000 1 528.1482outmax2outmax 1 671 MPaQdou max 706.5 MPadoutmin人口速度可分为两部分：第1 部分是设置的入口速度为2 0 m/s，根据连续性方程可知，此部分对应的出口速度为1 38 8.8 m/s，对应的出口动压力约为964.5MPa。第2 部分是由人口的静压即2 0 MPa转化的动压,因喷嘴内流道的形状不同，转化效率也有不同，理论上转化范围为0 1 0 0%（0 7 0 6.5MPa），即出口动压力的理论值在9 6 4.5 1 6 7 1 MPa之间。文中设计的流道是众多流道中的一部分，静压不能完全转化，并且不能不转化,因此,文中动压值范围为1 2 2 0 1390MPa,在理论值范围之间,与理论值一致。6结论(1)通过分析得出喷嘴内流道形状是影响静压转化为动压效率的主要原因之一，流道形状变化对转化率有较大影响。（2)通过比较不同过渡比的全过渡式子弹形喷嘴的速度场和动压场分布规律，得知过渡比影响喷嘴内部流场的规律及原因，流道切线与水平方向夹角越大，喷嘴内部压强越高，喷嘴出口速度越快；喷嘴过渡比越大，流线曲率变化越小，对流速的变化影响越小。子弹型喷嘴水射流的集束性好，经过过渡圆弧后的射流轴向速度和动压值较大，径向速度变化率小，适用于高压水射流切割工件。（3)过渡比是设计高压水射流喷嘴的重要参数，不同过渡比的喷嘴在相同的进口边界条件下，出口的流场规律也不相同。通过对比,在进口速度为2 0 m/s,压强为2 0 MPa的进口边界条件下，过渡比为2.38 的喷嘴出口处的流速、动压值及集束性较好，理论上加工性能较好。（4)流道形状对喷嘴能量转化率的影响目前只能定性的分析，定量的分析流道对能量转化率的影响的问题尚待进一步研究。参考文献1蔡毅，苏国兵.高压水射流流线型喷嘴正交试验与仿真研究J.煤炭技术,2 0 1 7,36（1 2）：2 9 9 30 2.2Chen Lihuan,Cheng Muzheng,Cai Yi,et al.Design and op-timization of high-pressure water jet for coal breaking andpunching nozzle considering structural parameter interactionJ.Machines,2022(10):60.3谢成雨，蔡毅，云丹丹，等.高压水射流喷嘴设计仿真研究J.煤矿机械,2 0 1 6,37(8)：6-9.4蔡毅，谢成雨.高压水射流破煤防突仿真研究J.煤矿机械,2 0 1 5,36(1 2):8 4-8 7.5蔡毅，苏国兵.高压水射流喷嘴设计及有限元分析J.机械设计与研究,2 0 1 7,33(6：1 6 3-1 6 7.6郭子豪，傅连东基于数值模拟的高压磨料射流喷嘴流场分析及结构优化J武汉科技大学学报：自然科学版,2 0 2 0(3)：2 0 1-2 0 7.7杨维学.高压水射流技术在整体叶盘高效加工中的应用J.航空发动机,2 0 1 9,45(3)：9 9-1 0 2.8王军,王惠宇，赵连松.高压磨料水射流切割效率与表面粗糙度的试验研究J.制造技术与机床，2 0 1 7(7)：1 49-1 52.9尹东杨，陈晓川,鲍劲松.基于磨料水射流的三维编织复合材料铣削技术研究J.机械工程学报，2 0 2 1,57（5）：273-280.作者简介：程沐铮（1 9 9 8 一），男，硕士研究生，研究方向：航空宇航制造工程。E-mail:cmuzheng sina,com蔡毅（通信作者）（1 9 7 2 一），男，教授，博士，研究方向：机械设计及理论。E-mail:caiyi720906