丁祥青

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機電分院，江蘇 無錫 214028)

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磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

丁祥青

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機電分院，江蘇 無錫 214028)

為優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高射流加工能力，文章首先從噴嘴的各主要參數(shù)入手，設(shè)計出幾種不同結(jié)構(gòu)的噴嘴，并建立各自的物理模型，然后分別對各噴嘴結(jié)構(gòu)進行流場分析，找到最佳的噴嘴結(jié)構(gòu)。研究表明：進出口比越大，射流出口速度越大，顆粒相速度也越大；磨料入口角度對磨料顆粒速度也有一定影響。

磨料水射流；噴嘴；流場；顆粒相

0 引言

由于磨料水射流(Abrasive Waterjet，AWJ)獨有的冷加工特性，讓其成為了最近四十年來發(fā)展最為迅速的一門特種加工技術(shù)，其應(yīng)用越來越普遍，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械加工、汽車制造、鑄造業(yè)、兵器工業(yè)、電子、建筑業(yè)及造紙業(yè)等行業(yè)[1]。水射流噴嘴是射流機床加工過程中的主要部件，其質(zhì)量好壞決定了射流的加工質(zhì)量，因此對其的影響具有重要的意義[2]。

Quinn W R 等通過數(shù)值計算對不可壓縮流體流過不同流線形狀的噴嘴時的各流場參數(shù)的研究，得出不同的噴嘴流道形狀下水射流的速度衰減不同[3]。Babets K E 等通過對噴嘴內(nèi)部的紊流流場的數(shù)值模擬和實驗比較得出噴嘴內(nèi)部的流場受到流體的空化和分離的影響[4]。Liu H 等通過水射流內(nèi)部流場的單相流和多項流的數(shù)值分析，并通過實驗得出不同的初始條件和邊界條件下的數(shù)據(jù)，分析研究模擬和實驗結(jié)果得出:射流的軸向速度在初始段衰減比較快，在出口截面處磨料的速度呈“帽形”分布；在噴嘴內(nèi)部，不同的磨料的速度衰減相似且分布也相似，但是小磨料相對于大磨料加速較快[5]。由于增壓設(shè)備壓力有限，通過增大壓力提高射流及顆粒相速度的辦法越來越難[6]。因此本文通過改變噴嘴結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)射流速度及顆粒相速度的增大，提高射流的加工特性，在壓力技術(shù)限制的情況下，大大提高了射流的加工效率。

1 磨料水射流工作原理

如圖1所示為磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖[7]。基本原理為[8]：高壓水通過水噴嘴1以極高的速度向混合室3噴出，形成高速純水射流，射流在混合室3內(nèi)與空氣介質(zhì)發(fā)生能量的交換，速度開始衰減，磨料顆粒從磨料入口2中進入混合室，部分進入高速水核心區(qū)，部分跟隨擴散層射流流動，開始進入3收縮段流體整體開始加速，進入砂管4進一步加速整流后，從出口5噴出。

本文中，主要以磨料水射流噴嘴為研究對象，噴嘴結(jié)構(gòu)對射流結(jié)構(gòu)以及切割質(zhì)量都有很大的影響，在建立噴嘴結(jié)構(gòu)模型時，其參數(shù)的選擇都是參照實際應(yīng)用以及現(xiàn)有文獻的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，故本文中的仿真分析具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1.水噴嘴 2.氣體入口 3.混合室 4. 砂管 5. 噴嘴出口圖1 磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計及其內(nèi)部流場結(jié)果分析

通過理論分析可知，磨料水射流流場存在較大的能量損失[9-10]，前人近似的將磨料顆粒相速度近似的等于流體速度，與實際情況相差較大。本文通過對不同進水口與出水口比例的模型進行流場仿真，分析噴嘴軸線上混合相速度、DPM顆粒相速度及 DPM顆粒相濃度，研究流體對顆粒相加速情況，分析流體對顆粒相加速效率。

2.1 進口、出口尺寸對噴嘴內(nèi)部流場影響

本節(jié)建立四種不同入水出口與出水口比例的磨料水射流噴嘴，進水口/出水口尺寸比分比為0.3mm/1.0mm、0.5mm/1.0mm、1.0mm/1.0mm、1.0mm/0.5mm。磨料進口與進水口角度為90°，磨料顆粒尺寸為0.12mm，水噴嘴長度為30mm，水口壓力為180MPa。

對不同模型的噴嘴進行流場仿真，利用Fluent軟件后處理軟件繪制噴嘴軸線上流體的速度及DPM顆粒相速度，如圖2～圖5所示。

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM顆粒相速度圖5 1.0mm/0.5mm噴嘴內(nèi)部流體速度和DPM相速度曲線

圖2～圖5分別為不同入水口/出水口尺寸模型內(nèi)軸線處顆粒相的速度和DPM相速度的曲線。從這些曲線圖可以看出，進水口與出水口尺寸比越大，出口處混合相速度越大，DPM相速度也越大。其原因是：純水射流入水口和砂管出水口單位時間內(nèi)流量相同，截面越小，速度就越大。

從不同的混合相速度曲線圖可以看出，流體在混合室內(nèi)有一個減速過程，射流進入收縮段后速度瞬間上升，在進入砂管后開始減速，其原因是：砂管內(nèi)壁對射流流動存在一定的摩擦力，隨著砂管長度增加，沿程能量損失越多，因而速度不斷減小。

從圖上還可以看出DPM相處于一個不斷加速的過程，其原因是：開始階段磨料顆粒速度很小，DPM相與流體相速度存在一個速度差，液相速度在大于DPM相之前一直保持對其的加速作用，因此DPM相速度呈增大趨勢。根據(jù)仿真結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律，適當提高入水口和出水口的尺寸比有利于增加磨料的速度，提高磨料水射流的切割能力。

圖6為不同進水/出水口尺寸比例下的噴嘴軸線上磨料顆粒的濃度曲線。從仿真結(jié)果可以看出同樣的進口壓力參數(shù)下，進水口和出水口尺寸比例越大，噴嘴軸線上磨料顆粒濃度越大，說明這種參數(shù)下的噴嘴對磨料的集束性越強；軸線上磨料顆粒的多少決定了切割能力的大小，因此增大噴嘴進水口/出水口比例有利于提高射流的沖擊能力。

圖6 不同模型噴嘴內(nèi)軸線上磨料的濃度

2.2 磨料入口角度對噴嘴流場的影響

選擇高壓水入口尺寸為1.0mm，混合相出口為0.5mm的進出口比例的噴嘴，分別設(shè)定磨料入口角度為45°、60°、90°，建立噴嘴三維模型，進行網(wǎng)格劃分并進行仿真分析。分析磨料入口的角度對噴嘴軸線上混合相速度、磨料顆粒速度以及磨料濃度的影響。圖7分別為不同角度的磨料入口模型下磨料顆粒的速度矢量圖和磨料顆粒軌跡。

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度 (b)DPM顆粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM顆粒相速度圖9 90°磨料入口噴嘴模型內(nèi)軸線上混合相速度和DPM相速度曲線

不同的磨料入射角度決定了磨料顆粒進入混合室的位置，也決定了顆粒相進入流體的位置。從圖9可以看出，不同的磨料入口噴嘴模型內(nèi)流體速度變化不大，表明顆粒相對流體速度的影響很小。但顆粒相的加速距離受到磨料入射度影響。圖7中，磨料進口為45°時，顆粒相開始加速的位置靠近混合室底端，此時射流速度相對較小，對顆粒相加速偏弱；角度為90°，顆粒相進入射流的位置越靠近混合室頂端，如圖9所示，射流速度大，但加劇了磨料顆粒在混合室內(nèi)的碰撞；圖8所示為磨料入射角為60°，此時磨料顆粒在混合室中部進入射流，軌跡相對規(guī)則，此時速度最大。

(a)45°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

(b)60°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

(c)90°磨料入口噴嘴內(nèi)軸線上磨料顆粒濃度

從圖10不同磨料入口角度噴嘴軸線上磨料顆粒濃度曲線可以發(fā)現(xiàn)，圖10c中90°磨料入射角在混合室軸線上磨料濃度較小，其原因是90°入射的磨料顆粒在混合室內(nèi)軌跡混亂，與混合室內(nèi)壁碰撞劇烈，因此在混合室軸線上濃度較小；圖10b與圖10a相比，圖10b混合室軸線上磨料濃度高，其原因是：顆粒進入射流集束性好，沿著射流軸線方向運動的粒子數(shù)量多。射流軸線上速度可以反映噴嘴內(nèi)固相顆粒的速度，顆粒相速度越大，水射流切割性能越好，因此選用60°磨料入射角有利于提高射流的沖擊性能。

圖11 優(yōu)化前、后噴嘴試驗沖孔比較

圖11為優(yōu)化前噴嘴和優(yōu)化后噴嘴沖蝕試驗圖。在相同壓力條件及相同沖蝕時間條件下，對優(yōu)化后的噴嘴及優(yōu)化前噴嘴進行沖蝕試驗，優(yōu)化后噴嘴沖深為0.18mm，較優(yōu)化前噴嘴沖深0.12mm增大。

3 結(jié)論

(1) 射流的進出口比例嚴重影響著射流速度，進口與出口尺寸比例越大，射流的速度及顆粒相速度越大，軸線上顆粒相濃度越大，射流切割能力越大；

(2) 隨著磨料進口角度增大，磨料顆粒加速開始位置增高，并且在60°時射流速度最大，軸線上顆粒相濃度也最大，射流切割能力最佳。

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(編輯 李秀敏)

Abrasive Waterjet Nozzle Structural Design and Optimization

DING Xiang-qing

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi Jiangsu 214028, China)

the nozzle is the executive part of abrasive water jet machine tool, the quality of its structure parameters directly affect the machining quality and efficiency, this paper starts from the main parameters of the nozzle design several different structure of nozzle, and the establishment of their own physical model, respectively, and then the structure of the nozzle flow field analysis, find the best nozzle structure. The research shows that: the greater the import and export ratio, the greater the speed of the jet exit, the larger the particle phase velocity, the abrasive inlet angle has a certain influence on the velocity of the abrasive particles.

abrasive waterjet ; nozzle ; flow field ; abrasive particles

1001-2265(2016)11-0115-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.031

2016-06-03；

2016-07-07

全國教育信息技術(shù)研究課題(166242983)；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究課題(2016-R-47905)

丁祥青(1983—)，男，江蘇淮安人，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫機電分院教師，工程碩士，研究方向為機械設(shè)計與制造，(E-mail)dxiangqing@126.com。

TH122;TG65

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