改進結(jié)構(gòu)的高壓磨料水噴嘴內(nèi)部兩相流動及磨損研究.pdf

1、高壓磨料水射流切割是近二十年興起的一項加工技術(shù)，因其具有“綠色”切割、切縫質(zhì)量好以及無需二次加工等優(yōu)越特點，目前該切割技術(shù)在國內(nèi)外已被廣泛應用。然而作為新興切割技術(shù)，整個切割系統(tǒng)仍存在許多待完善的問題，尤其是形成磨料射流關(guān)鍵的噴嘴結(jié)構(gòu)，關(guān)系著整體系統(tǒng)的切割精度，迄今為止其集束能力及使用壽命仍未達到理想水平，制約了切割質(zhì)量及生產(chǎn)效率。因此，進一步研究增強磨料噴嘴射流的集束性、延長磨料噴嘴的使用壽命，確保其高精度、高效率的完成切割加工行為，

2、對于提高我國高壓磨料水切割技術(shù)水平具有重要意義。
　　本文在分析噴嘴內(nèi)部磨粒加速機理以及內(nèi)壁磨損機理的基礎上，從提高射流速度、降低磨損的角度出發(fā)，提出了改進的雙圓錐磨料噴嘴結(jié)構(gòu)。針對改進前后的噴嘴結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有的磨料噴嘴結(jié)構(gòu)及設計原則，分別給出了四組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)，應用FLUENT完成了八組參數(shù)下的磨料噴嘴內(nèi)部的二維單相數(shù)值模擬。通過對比分析出口端射流軸向速度、徑向速度以及噴嘴內(nèi)外部紊流動能，驗證了改進后的磨料噴嘴具有更優(yōu)的混合能力

3、及射流集束性。
　　基于噴嘴內(nèi)部流場復雜性的考慮，在建立液固兩相流動的計算模型前，首先提出了計算假設。基于歐拉-拉格朗日算法，選取了標準k??模型及SST-?模型對噴嘴內(nèi)的紊流流場進行求解，分析了磨粒在噴嘴內(nèi)部的具體受力情況，對比研究確定了磨粒碰撞反彈模型。通過研究單磨粒的入射角以及碰撞速度對磨損的影響，采用FLUENT中的DPM模型，將E/CRC提出的半經(jīng)驗磨損模型進行轉(zhuǎn)換，建立了噴嘴內(nèi)部的磨粒磨損計算模型。
　　以兩相流

4、動計算模型為基礎，對高壓磨料噴嘴內(nèi)部的稀相兩相流動及相間作用進行了三維數(shù)值模擬研究。相同工況下對比文獻中的實驗研究，得到經(jīng)由改進磨料噴嘴的混合射流速度相對提高，驗證了改進噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。進而分析了直接關(guān)系切割深度及質(zhì)量的磨料噴嘴內(nèi)部速度場，得到出口處83.5％左右的磨粒速度達到300m/s以上，射流具備高集束能力?；陔x散相計算模型，對單磨粒加速運動進行研究，得到不同目數(shù)的磨粒在出口端的速度相差不大，在圓錐段的壓強梯度力以及阻力是提供

5、磨粒加速的關(guān)鍵作用力，數(shù)值較小的虛擬質(zhì)量力和Basset力在整個過程中均為反作用力?；贒iscrete Random Walk模型數(shù)值模擬了不同參數(shù)下的磨粒軌跡運動，結(jié)合CFD-Post的可視化處理，得出80目磨粒是滿足工況下的最佳選擇。最后初步建立了磨粒的運動速度模型。利用顆粒流的滑移剪切-碰撞（S-C）模型的基本思想，建立了單磨粒與噴嘴內(nèi)壁碰撞邊界模型，結(jié)合ANSYS_LSDYNA軟件，分析了磨粒與內(nèi)壁之間碰撞中的相對位移、接觸時