前混合水射流扁平喷嘴的结构设计及流场特性

董 星， 宋永佳， 郭忱灏

(黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

前混合水射流是磨料水射流的一种，是以高压水为载体并在喷嘴前混入适量的磨料粒子而形成的新型射流[1]；它具有喷嘴结构简单、磨料混合效果好、能量传输效率高、射流密集性好等优点，广泛应用于切割、破碎、除锈、抛光、打孔与喷丸强化等技术领域[2-8]。

喷嘴是磨料水射流系统中的关键元件之一，是实现能量转换的唯一元件，其工作介质为多相流体。根据加工任务的需要，在磨料水射流应用领域，加工对象不同应采用不同的喷嘴形式，而现有的磨料水射流喷嘴很难满足各种个性化加工的要求，因此，一些水射流工作者积极开展喷嘴结构的研究，以满足工程实际的生产需要。董星等[9-10]为探究后混合水射流喷嘴内部液固两相流的运动规律，利用 FLUENT 软件研究得出喷嘴内部的轴向速度和轴向动压强的变化规律具有相似性，同一条件下，水流场的轴向速度更大，但其轴向动压强小于颗粒流场的轴向动压强；为使后混合水射流在材料的表面处理工作中获得良好的效果，设计出具有扇形混合喷嘴结构的后混合水射流喷头，并利用 FLUENT 软件研究得出同一靶距下，扩散宽度和轴心速度在V 形切槽夹角为45°时最大。丁详青[11]利用FLUENT软件对进出口比不同的喷嘴进行流场分析，得出喷嘴进出口比越大，出口射流流速越大。朱静等[12]通过实验得出小入射角会加剧喷嘴磨损的结论。郭子豪等[13]为减小喷嘴内壁的磨损，将壁面处采用圆角过渡来改善射流方向，疏散聚集颗粒。梁博健等[14]通过模拟得出小入射角会强化射流性能。笔者综合非金属矿物摩擦解离和靶体材料表面处理的共性特点，设计一种前混合水射流用扁平喷嘴，并分析其射流流场特性，获得喷嘴入口压力对流场特性的影响规律，为扁平喷嘴的工程应用提供技术支持。

1 扁平喷嘴结构设计

文中设计的扁平喷嘴与前混合水射流发生装置配套，设计的扁平喷嘴结构如图1所示，喷嘴入口直径d为7 mm，流线形收敛段长度l1为11.75 mm；扁平段长度l2为3.10 mm，宽度b为2.50 mm，左右两侧半圆形半径r为0.40 mm；扩散段长度l3为2.45 mm，扩散角为20°，扁平段和扩散段的高度h均为0.80 mm。

根据喷嘴局部结构作用可以实现以下功能：一是在用于非金属矿物解离时，通过喷嘴扁平段上下壁面对高速过流固相介质的约束，实现矿物的摩擦解离；二是在用于靶体材料表面处理时，通过喷嘴出口扩散角形成扇形液固两相射流，扩大射流介质喷射冲击靶体材料的单位时间覆盖率，实现对靶体材料表面的高效处理。因此，设计的扁平喷嘴结构由入口流线形收敛段、中间扁平段和出口扩散段3部分组成。入口流线形收敛段使高压管中的液固两相流体平稳地进入喷嘴中间扁平段，减小了入口流动阻力损失和喷嘴磨损，增加了压能转换为动能的能量传输效率，提高了射流速度；中间扁平段截面结构形状是，上下为平面产生过流约束，左右两侧为半圆形利于流体通流；出口扩散段截面结构为矩形，形成扇形射流，提高了冲击靶体材料的覆盖面积。

2 模型与计算方法

2.1 有限元模型

根据图1扁平喷嘴结构，应用Solidworks建立喷嘴几何模型。在Workbench环境下，将几何模型导入到组件系统Mesh模块，利用Mesh模块网格功能进行喷嘴内外流场网格划分；为了提高计算精度和计算效率，全局采用细化网格，网格类型为四边形结构化网格，并对模型的扁平段和扩散段进行局部加密。图2给出了扁平喷嘴有限元模型(俯视图)，模型的网格单元数和节点数分别为287 005和53 745。

图1 扁平喷嘴结构Fig. 1 Flat nozzle structure

图2 有限元模型Fig. 2 Finite element model

2.2 数学模型

2.2.1 控制方程

前混合水射流是液固两相高速射流，喷嘴中工作介质的流动速度远远大于临界流速，湍流强度较大，射流流场液固两相介质均近似于连续介质，且在大流量固体粒子表面处理过程中固相颗粒体积分数大于10 %，适用于欧拉多相流模型。因此，选择的液固两相流动模型为欧拉模型，其控制方程[9]为

连续性方程为

∇(α1ρ1v1)=0，

(1)

∇(αpρpvp)=0，

(2)

式中：α1、αp——水和固相颗粒的体积分数；

ρ1、ρp——水和固相颗粒的密度；

v1、vp——水和固相颗粒的速度向量。

动量方程为

∇(α1ρ1ν1ν1)=-α1∇p+∇τ1+α1ρ1g+

Kp1(νp-ν1)+α1ρ1(F1+Flift,1)，

(3)

∇(αpρpνpνp)=-αp∇p+∇pp+∇τp+αpρpg+

K1p(ν1-νp)+αpρp(Fp+Flift,p)，

(4)

式中：p——水和固相颗粒所有相共享的压力；

τ1、τp——水和固相颗粒的压力应变量；

g——重力加速度；

K1p、Kp1——水和固相颗粒两相之间的动量交换系数，K1p=Kp1；

F1、Fp——水和固相颗粒的外部体积力；

Flift，1、Flift,p——水和固相颗粒的升力；

pp——固相颗粒的压力。

2.2.2 湍流模型

根据前混合水射流液固两相射流流场特性，湍流模型选择标准k-ε模型，湍动能k方程和耗散率ε方程[10]分别为

湍动能k方程为

(5)

耗散率方程为

(6)

式中：k——单位质量流体湍动能；

μt——湍流黏性系数，μt=Cμρk2/ε；

Cμ——经验系数；

ε——单位质量流体湍动能耗散率；

C1、C2——系数；

σk、σε——分别为k和ε对应的Prandtl数。

数值模拟计算时，取Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σε=1.3[15]。

2.3 计算方法与边界条件

计算方法：采用三维双精度求解器，压力速度耦合采用Simple算法，空间离散格式中的梯度采用最小二乘单元法，选择高阶松弛处理，松弛因子为0.25，数值模拟收敛判据为流场迭代的变量残差值R≤10-3。

边界条件：喷嘴入口边界条件选择压力入口，通过改变入口压力大小分析压力对射流流场特性的影响；喷嘴出口边界条件选择压力出口，出口压力为标准大气压。计算时将水设置为主相，密度为1 000 kg/m3，黏度为1×10-3Pa·s；将固相颗粒设置为次相，设密度为3 900 kg/m3、黏度为1×10-5Pa·s、直径为0.10 mm，体积分数为20%。

3 结果与分析

3.1 入口压力对水流场特性的影响

图3和图4分别给出了喷嘴入口压力为2、4、5、6、8 MPa时，水流场轴向速度va和轴向动压强pa分布云图。

由图3可见，不同喷嘴入口压力条件下水流场轴向速度分布规律相同，具有明显的面对称性。在内流场，轴向速度随着流线形收敛段横截面积的逐渐减小而不断增大，在进入扁平段位置处过渡平缓、无速度突变现象，进入扁平段后达到最大值；在扁平段，横截面积沿程不变，轴向速度保持不变；在扩散段，轴向速度随着横截面积的逐渐增大而不断减小；在喷嘴出口截面轴心速度分别为45.88、65.10、72.17、78.37和90.58 m/s。在外流场，射流湍流脉动在外边界形成漩涡，使周围的空气被卷入射流，两者掺混在一起向前运动，射流的断面不断扩大，水流场的轴向速度逐渐减小，在靶距为15 mm位置处轴心速度分别为22.42、31.82、34.88、37.57和43.31 m/s。

图3 水流场轴向速度分布云图Fig. 3 Axial velocity contour of water flow field

由图4可见，不同喷嘴入口压力条件下水流场轴向动压强分布规律相同，亦具有明显的面对称性。在内流场，轴向动压强随着流线形收敛段横截面积的逐渐减小而不断增大，进入扁平段后达到最大值；在扁平段，轴向动压强保持不变；在扩散段，轴向动压强随着横截面积的逐渐增大而不断减小；在喷嘴出口截面轴心动压强分别为1.05、2.12、2.60、3.07和4.09 MPa。在外流场，随着靶距的逐渐增大轴向动压强逐渐减小，在靶距为15 mm时轴心动压强分别为0.25、0.51、0.61、0.71和0.94 MPa。

图4 水流场轴向动压强分布云图Fig. 4 Axial dynamic pressure contour of water flow field

3.2 入口压力对颗粒流场特性的影响

图5和图6分别给出了喷嘴入口压力为2、4、5、6、8 MPa时，颗粒流场轴向速度vb和轴向动压强pb分布云图。

图5 颗粒流场轴向速度分布云图Fig. 5 Axial velocity contour of particle flow field

由图5可见，不同喷嘴入口压力条件下颗粒流场轴向速度分布规律相同，并与水流场轴向速度分布规律相似，具有明显的面对称性。在喷嘴出口截面颗粒流场的轴心速度分别为53.94、76.62、84.25、90.35和104.40 m/s；在外流场靶距为15 mm位置处，颗粒流场的轴心速度分别为25.30、36.41、40.02、43.13和50.02 m/s。由图6可见，不同喷嘴入口压力条件下颗粒流场轴向动压强分布规律相同，亦与水流场轴向动压强分布规律相似，并具有明显的面对称性。在喷嘴出口截面颗粒流场的轴心动压强分别为5.67、11.45、13.84、15.92和21.25 MPa；在外流场靶距为15 mm位置处，颗粒流场的轴心动压强分别为1.25、2.59、3.13、3.63和4.88 MPa。

图6 颗粒流场轴向动压强分布云图Fig. 6 Axial dynamic pressure contour of particle flow field

通过比较图5与图3、图6与图4的轴心速度、轴心动压强数据可知，相同喷嘴入口压力条件下，在喷嘴出口和外流场靶距15 mm的位置处，颗粒流场的轴心速度和轴心动压强均大于水流场的轴心速度和轴心动压强。这是因为固相颗粒的密度明显大于水的密度，在喷嘴扩散段和靶距为15 mm外流场的位置，由于流场截面沿程的不断扩大及周围空气的掺混，水的速度迅速衰减，而固相颗粒由于惯性作用速度衰减缓慢产生的结果。

4 结 论

(1)设计出与前混合水射流发生装置配套的扁平喷嘴，其结构由入口流线形收敛段、中间扁平段和出口扩散段组成，可以满足非金属矿物摩擦解离和靶体材料表面处理的共性要求。

(2)扁平喷嘴水流场轴向速度分布规律与颗粒流场轴向速度分布规律相似，具有明显的面对称性，且与喷嘴入口压力无关。在喷嘴出口截面和射流靶距为15 mm位置处，水流场轴心速度和颗粒流场轴心速度均随喷嘴入口压力的增加而增大。

(3)喷嘴入口压力相同时，在喷嘴出口和射流靶距为15 mm位置处，颗粒流场的轴心速度和轴心动压强均大于水流场的轴心速度和轴心动压强。当入口压力为5 MPa时，颗粒流场的轴心速度、轴心动压强和水流场的轴心速度、轴心动压强分别为40.02 m/s、3.13 MPa和34.88 m/s、0.61 MPa。