基于高压水射流涂层清理仿真与试验研究

曹国强，刘春全，孙汕民

1沈阳航空航天大学机电工程学院；2中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司

1 引言

在水射流冲击下，各种固体介质的内部动态损伤和运动破坏规律等问题是水射流技术理论研究的核心。迄今为止，水射流技术的发展和应用举步维艰，原因在于该项技术与诸多关联要素有关，同时因处理程序复杂，不能直观反映水射流冲击介质产生的应力分布现象，从而对相关技术的研发与推广带来负面影响[1]。分析时，选择流固耦合理论，创建模拟水射流冲击下涂层内部应力分布的数值模型，射流区域选择标准化的k-ε双方程模型与RNG模型，涂层区域选择有限体积法，计算水射流和涂层间单向流固耦合的数值参数[2]。

通过模拟仿真结论可得，在水射流冲击过程中，涂层的受力会出现显著的局部效应。在冲击区内，涂层受压，使表面出现最高拉应力。在冲击中心下方(约为喷嘴构件直径0.25～0.5倍)区域内，出现最高剪切应力。由此可得，控制喷嘴出口处对应的速度参数和靶距参数，可以有效提高水射流清理效率，不会损伤工件本体。

2 高压水射流清理仿真过程

水射流清理涂层的本质是让射流和涂层间产生相互作用，由此使涂层剥落[3]，即水射流冲击法清理原理结合了射流初始的冲击载荷和后期的准静态压力，其重点是以冲击载荷为核心[4]。

如果从时间角度分析，水射流清理过程可以概括为以下两个流程[5]：①水射流冲击在涂层表面时出现了应力波动，此时为涂层表面破坏损伤的初始阶段，表现为涂层破坏损伤；②在射流准静态压力产生的后期阶段，原有冲击载荷损伤涂层后出现二次损伤，即在射流准静态压力非间断作用下，涂层内部形成的微孔隙和微裂纹等受到损伤而持续扩大，逐渐形成宏观破坏。

参考已经创建的损伤模型，选择固体有限体积法模拟研究水射流清理涂层的工作过程。清理过程的三维模型截面见图1。

图1 三维模型截面

根据非线性动力学分析、射流及涂层的关联和流固两相间存在的耦合作用，计算时间会较长且计算过程较复杂。为提高求解的实效性，选择精度参数符合要求且应用面较广的流固耦合分析方式[6]，以此求解涂层的损伤场。

如图2所示，涂层受到射流冲击后会突然凹陷变形，在涂层内部产生一个应力相对集中的区域。当涂层受到射流冲击时，受冲击的表面会形成裂纹，液体迅速渗入裂纹中形成水楔，侵蚀并逐渐破坏涂层。同时，射流冲击区的边缘会产生较大的拉应力，呈放射状指向冲击中心。当冲击速度足够高时，涂层表面会出现大量微裂纹，并逐渐向涂层内部扩展。最大拉应力一般出现在距离射流冲击中心一定距离的位置，该位置外的拉应力随着距冲击中心的距离增加而逐渐减小。在冲击区内，拉应力迅速下降为0，并转变为压应力。

图2 高压水射流冲击作用下的涂层破坏过程

射流冲击涂层过程中的清理现象属于显著的局部效应。主因是水射流冲击涂层后出现的应力波在涂层中传递，产生的瞬态应力场可被分解为径向的压应力和环向的拉应力，并且涂层的抗拉强度比抗压强度大很多。但由于应力波在涂层中传递的强度随径向距离增加极速衰减，在距离射流冲击点相对较远处，涂层中的冲击能量密度已小于可造成涂层破坏的临界值。

在喷嘴与涂层的位置相对固定的情况下(见图3)。射流作用在涂层上形成的孔洞直径上大下小，形状为“倒锥形”，上部区域的直径是喷嘴直径的3倍，下部区域的直径是喷嘴直径的1.5倍。同时参考水射流破坏涂层的速度检测，调节喷嘴出口速度参数与靶距参数，借助水射流在涂层上产生的冲击，形成深度与直径较理想的孔洞形状，从而达到彻底清理涂层的效果[7]。

图3 涂层孔洞形状

水射流接触涂层后在极短的时间内(接近毫秒量级)就已经完成主要的清理工作，这点已由英国里兹大学研究人员的试验结果证实。其原理是初始射流对涂层的作用影响未受返回射流的阻力干扰，冲击力最大，清理效果最好，因此工作效率和涂层受冲击时形成了最大的孔洞半径。后续由于返回流的阻力以及涂层的厚度限制，射流中的能量随着清理时间不断推移而不断损耗，清理力度随之下降，清理速度和孔洞半径也会减小(见图4)。这种情况表明，利用高压水进行清理时，冲击时间只是影响清理效果的一个重要方面，需综合提升射流能量，改善能量分布，以此强化射流清理效率[8]，此观点已通过大量实证予以论证。

由水射流清理涂层的分析过程可得，水射流冲击法清理结合了射流初始冲击载荷和后期准静态压力，同时以前者为核心。通过优化分析，完善了其在时间和空间中的分布规律，更好地提升了传统水射流清理过程的执行效率与应用价值。

假设涂层中的射流载荷是离散形式(如施加脉动或不连续的形式)，可以通过调整脉冲间隔和波间距，避免相邻载荷间的相互干扰，尽可能利用应力波冲击破坏涂层，从而有效增加涂层的破坏率。

3 分析计算原理

虽然水射流技术在工业加工领域的应用非常广泛，但水射流的作用机理至今没有被充分认识，目前还没有形成一种广受认可的学说。水射流是一个非常复杂的过程，明确固体介质和水射流流场之间的应力分布情况是研究水射流作用下介质破坏机理的关键[9]，为研究介质受到水射流冲击的破坏机制需弄清流场和固体介质之间的应力分布规律。随着数值计算和有限元模拟的发展，学者们开始尝试全新的方法对该问题进行研究。介质在水射流作用下的应力分布计算方法主要有如下两种：一是基于数值模拟和试验分析得到水射流冲击载荷，然后作为初始条件加到介质上进行静态数值计算；二是对流体压力进行简化处理，得到相关的能量方程后再进行相应的数值计算。本文采用流体到介质的单向流固耦合分析技术和有限体积法等，选择标准k-ε双方程模型以及RNG模型，研究处于淹没环境中高压水射流冲击应力的分布规律，从而可以更好地深入了解其作用原理。

3.1 物理模型与基本假设

参考淹没环境中水射流清理过程的具体状况，建立相关模型(见图5)，展开以下基础假设[10]：①射流是清水，并以轴对称形式流动；②喷嘴构件的中心线和冲击面保持90°关系；③未考量流体压缩情况与空化效应现象；④由于固体介质各向同性，因此无需分析其产生的压力情况。

图5 物理模型

3.2 控制方程与边界条件

3.2.1 水射流控制方程与边界条件

(1)控制方程

单方程模型中忽略了射流长度变化的影响，所以其适用性也受到了影响，当流动性变化较大时，单方程模型的误差会明显增大，流场计算模型需要重点关注湍流的长度和速度。k-ε双方程模型主要适用于湍流模型，其公式为

(1)

(2)

式中，ρ为密度；k为湍流动能；xj为主流速方向；Gk由平均速度梯度引起的湍流动能k形成；Gb由浮力影响引起的湍流动能k形成；ε为耗散率；YM为可压缩湍流脉动膨胀对整体耗散率的影响；湍流普朗克数δε=1.3；C1ε，C2ε，C3ε为经验系数，其中，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；Sk和Sε为定义源项。

(2)边界条件的设定与处理

入口边界为

ui=u0，uj=uk

对称边界(以柱坐标表示)为

出口边界为

(3)固壁平衡条件

喷嘴构件对应的边界与流固耦合面对应的流体边界用于所有固壁区间的空间环境，且均没有出现热传导现象。

3.2.2 固体介质控制方程与边界条件

(1)控制方程

固体介质控制函数的平衡方程表达式为

(3)

式中，σij为单元应力；ρs为介质密度；fi为体积力。

固体介质控制函数的本构方程表达式为

(4)

式中，E为弹性模量；V为泊松比；εij为单元应变；δij为Kronecker符号。

(2)边界条件

介质存在两种边界条件，面-力边界条件S1为

δijnj=ti

式中，nj为边界的外法向余弦；ti为面-力载荷，通过流固耦合面中流场的压力进行传递。

位移边界条件S2为

xi(Xj，t)=di

式中，di为给定位移函数；Xj为流体型流建方向参数；t为载荷。

3.3 数值处理方法

(1)处理水射流数值

选择有限体积法对流场数值参数进行离散化处理，同时选择插值法对控制方程中的核心物理参数展开分析运算。

(2)处理涂层数值

选择通用结构分析中的最低位能原则，对涂层的平衡方程进行有限元离散处理。

(3)处理流固耦合系统数值

耦合系统的解集为

X=(Xf，Xs)

式中，Xf，Xs为流体参数与介质待求参数。

运用Fluent模块获得流场对应的冲击力，将流固耦合面的流体冲击力用于初始条件对涂层表面进行加载，分析其结构化形式，获取涂层中的应力参数与应变参数等。

鉴于计算流固耦合时已经分别对流体与涂层独立建模，因此在耦合面中流体结点和涂层结点无需进行重合处理。在此条件下，可选择插值法分析涂层在耦合面中对应的结点应力参数[11]。

4 计算结果分析

模型基本计算参数喷嘴直径d为2mm，喷嘴出口速度u0分别设为424m/s，477m/s，531m/s，靶距参数h取值范围为20～50mm，切距间隔参数为10mm，水密度参数ρ为1000kg/m3，粘度参数L为0.001Pa·s，介质弹性模量参数为17.83MPa，泊松比v为0.271。

Static Structural提取结果步骤：双击Results，在Solution里插入正应力和剪切应力等。

4.1 冲击压力分布

在Static Structural模块双击Results，抑制流场域，保留涂层，添加重力和支撑面，导入Fluent分析中的应力结果载荷，插入正应力，即可得到涂层上表面的正压力分布。在结果中用Path工具添加一条直线，提取直线上的数据，传输入Normal stress并绘制曲线图。

在不同速度参数条件下，冲击面出现的压力分布规律见图6，不同靶距参数条件下冲击面出现的压力分布规律见图7。可知，在冲击中心有最高的冲击压力并伴随着径向距离的增加，冲击压力快速衰减，这是因为射流持续扩散产生的影响。

图6 不同速度参数时冲击面的冲击压力径向分布

图7 不同靶距时的径向冲击压力分布(u=477m/s)

由图8可得，速度越高，其压力的平均水平也越大；同时，随着靶距的增大，轴心冲击压力逐渐减小。

图8 不同速度和不同靶距时的轴心冲击压力变化

4.2 轴心压力分布

在Fluent模块中，从喷嘴出口到涂层上表面建立一条直线，在Chart中建立坐标系，提取Line中的数据，并做记录。图9为不同靶距参数时射流出口速度为477m/s条件下的轴心线速度衰减规律，图10为靶距为40mm时不同速度的轴心压力分布。

图9 不同靶距时的轴心线动压衰减规律

图10 不同速度时的轴心压力分布(靶距为40mm)

综合可得，在喷嘴出口一定范围内的射流内部存在流速u等于喷嘴出口速度u0、长度为喷嘴直径范围8～10倍的等速核情况。

接近作用表面时，轴向速度急剧下降，轴向压力明显增加；在接触到作用面后，轴心速度降至0，这时轴向压力最大。其冲击压力区中对应的厚度为喷嘴直径的3倍，其他区域压力与远场流体压力相等。

4.3 最大和最小主应力分布

图11为靶距20mm、射流速度531m/s时涂层内部最小主应力的分布情况。可知，在射流冲击区域中的固体介质存在受压情况，这时会在冲击中心存在最高的压应力参数，伴随径向距离的持续增加，其压应力会快速降低，渐渐转换成拉应力，在冲击区域边缘的某点处出现最高拉应力参数。

图11 涂层内部最小主应力分布

从图12可以得出，当靶距为20mm时，最大拉应力距离冲击中心大概是喷嘴直径的2倍；当靶距为50mm时，最大拉应力距离冲击中心约喷嘴直径的3倍，二者间表示出近似的线性关系。

图12 拉压应力转换位置随靶距的变化关系

4.4 剪切应力分布

由图13可得，最高剪切应力参数处于涂层冲击中心表面下方约0.25～0.5倍喷嘴直径的位置，并非处于涂层表面。假如以剪切力的角度分析介质是否出现破坏，如果已产生破坏，此时内部出现剪切裂纹，并且持续沿介质表面延展，促使碎块与介质相互脱离。水射流的相关冲击特征可有效应用于表面处理，通过理论分析与试验可得，控制水射流对应的速度参数与喷距可充分保障材料本体无损坏，且可有效清除涂层。

图13 不同速度和不同靶距时的涂层最大剪切应力分布

当靶距20mm，射流速度531m/s时，涂层内部最高剪切应力分布规律见图14。

图14 涂层内部最大剪切应力分布

剪切应力沿径向方向随距离的增大而减小，因此剪切力沿介质由里往外延伸，且以中心点对称分布。

5 试验验证

编写利用高压水射流涂层清理试验的工艺规程，按工序进行实际清理操作，初步验证模拟仿真结果的真实性，同时检验方法的可行性。清洗过程见图15。

图15 水射流清理过程

试验步骤如下：

(1)检验：确定需清理涂层的位置。

(2)基体防护+粗加工：使用专用夹具，固定并遮挡基体本体，对需清理涂层的位置以35MPa，12L/min的参数进行水射流冲洗1～2min。

(3)基体防护+精加工：使用专用夹具，固定并遮挡基体本体，采用35～50MPa，12～24L/min水射流对需清理涂层的位置冲洗2min，清除异物。

(4)后处理：采用20MPa，42L/min的参数进行水射流冲洗2min，冲刷残留异物。

(5)冷风吹干+检验：检验清理后效果。

图16为利用水射流清理涂层后的局部效果对比。明亮处为基体本体，稍暗处为涂层，二者对比明显，且明亮处的划痕并非试验中射流冲击导致，而是在试验前有意造成的，目的在于对比清理前后涂层是否被完全清理并露出全部划痕标记。由此可得，基体上的涂层可被有效清理，效果很好。

图16 试验效果对比

试验验证与模拟仿真结果一致，表明利用此方法进行涂层清理可行，所得结论可作为高压水射流对精密零件清理工艺及相关设备的设计和优化依据。

6 结语

(1)建立了水射流冲击下涂层的应力分布数值模型，水射流区域选择标准k-ε双方程模型，涂层区域选择固体有限体积法展开研究，确定了水射流到涂层之间的单向流固耦合数值算法。模拟仿真结果表明，高压水射流清理是由射流初始冲击载荷和后期的准静态压力相结合产生作用，且以冲击载荷的作用为主，即水射流清理方法是射流冲击导致的介质拉伸破坏。

(2)采取单向流固耦合理论和有限体积法对清理过程进行模拟研究，计算涂层在不同射流速度和靶距冲击下的流场冲击压力和涂层内部的应力分布规律，避免因其它方法简化后分析不深入的问题。

(3)在高压水射流喷嘴出口长度约8～10倍喷嘴直径的范围内存在等速核的情况，邻近冲击面区域的冲击压力厚度约为喷嘴直径的3倍。

(4)水射流冲击过程中，涂层受力出现显著的局部效应。在冲击区内，涂层受压，且在其表面出现最高拉应力。固体介质承受的最高剪切应力处于涂层冲击中心表面下方约为0.25～0.5倍喷嘴直径的位置，有效控制了射流速度和靶距，强化了水射流清理效能。

(5)编写清理试验的工艺规程，按工序进行实际清理操作，初步验证了模拟仿真结果的真实性，同时检验了利用高压水射流全方位清理涂层技术的可行性。由仿真结果分析得，当射流速度大于531m/s时，由于此时受冲击对象的内部应力过大，容易对薄壁件的基体带来损害，故对此类零件清理时需注意射流速度参数不宜过大。