高壓水射流設備結構優化與內外流場分析

秦天宇

（山東理工大學， 山東 淄博 255000）

引言

高壓水射流是近幾十年來得以迅速發展的一項新技術，作為清洗、切割、破碎工具，水射流具有其獨特的優越性。高壓水射流是一種新的表面強化方法，與傳統噴丸相比具有強化效果好、成本低、無污染、便于實現自動化和容易對狹窄、深凹槽部位進行強化等諸多優點。因此，研究水射流在消除殘余應力方面的應用具有重要意義[1]。本設計主要是研究水射流在消除焊接殘余應力方面的應用，通過設定一定的參數，設計出簡單的高壓水射流機，實現特定焊接件的殘余應力的消除，主要內容包括：傳動系統的設計以及高壓系統的設計。

1 高壓水射流機總體設計

為更好地消除焊接工件的殘余應力，高壓水射流機應按一定的要求運作，具體的工作步驟如下[2]。

1）將焊接好的工件冷卻后，固定在工作平臺上（X軸水平方向）；

2）將噴嘴移至焊縫的正上方，噴嘴出水口與焊縫間距5～10 mm，噴嘴噴出的水射流束垂直于工件表面；

3）啟動高壓水射流的高壓系統，調整水射流束軸心動壓為220～250 MPa；

4）從焊縫的起始點開始，沿著焊縫方向移動工件至焊縫的終止點（起始點和終止點是相對于噴嘴而言的），工件移動速度為100 mm/s,保持噴嘴出水口與焊縫間距不變；

5）保持步驟4）中噴嘴與工件間距和工件移動速率，將工件沿焊縫方向往復移動5～10次，關閉液壓系統即可。

2 噴嘴結構設計與優化

錐直型流道的噴嘴具有較好的流動特性，且射流集束性好，徑向速度較小，適合做該水射流設備的執行部件，根據之前確定的噴嘴參數，以噴嘴的外部尺寸構建實體模型，作為射流的內部流場，外部流場為直徑為20 mm，高度為20 mm的圓柱體。由于噴嘴錐段與圓柱段的銜接處是直接連接，沒有圓弧過度，這影響了噴嘴內部的流場分布，對射流的速度和壓力都產生一定的影響。為了獲得更好的射流性能，提高射流表面強化作用的效果，減少噴嘴的磨損，故對噴嘴結構進行優化。該結構在錐段與圓柱段的銜接處設計了圓弧過度，圓弧半徑為40 mm，其他參數不變。

3 噴嘴內外流場分析

3.1 噴嘴內外流場網格劃分

本流場幾何模型采用具有超強組合建模能力的GAMBIT前處理軟件建立三維的六面體網格，網格質量好，同四面體網格相比，同樣網格尺寸，數量少很多，計算需要的時間短一些，計算也更容易收斂。用GAMBIT網格劃分的工作可分為建立模型、劃分網格、定義邊界三個步驟[3]。

3.2 流場分析結果

經計算分析作出速度云圖如圖1所示。從速度云圖中可以看出，未改進之前水流在噴嘴中不斷加速，開始速度變化緩慢，在接近錐段與圓柱段銜接處時，速度變化加劇，由于錐段和圓柱段沒有圓弧過度，故在此處小范圍內速度迅速升高至最高速，并保持一段距離。水流噴出后會有一段等速核區，在該區內射流速度基本不變，并且形狀近似為圓柱形，此處為射流表面強化最優區域，工作中也保證工件處于此區域內。外部流場中，沿截面方向，水流速度遞減，迅速減至0。改進后相比于未優化前的噴嘴的內外流場的壓力分布和流速分布，優化后的結構無論是壓力還是流速，在噴嘴錐段與圓柱段的銜接處的變化幅度都有所緩解，對噴嘴的沖蝕作用相對弱一些。另外，優化后的結構，其噴嘴出口的速度也略有減小，這樣既能滿足射流表面強化作用的速度要求又調高了噴嘴的使用壽命。

按照計算結果做出速度云圖如圖1所示。從速度云圖中可以看出，未改進之前水流在噴嘴中不斷加速，開始速度變化緩慢，在接近錐段與圓柱段銜接處時，速度變化加劇，由于錐段和圓柱段沒有圓弧過度，故在此處小范圍內速度迅速升高至最高速，并保持一段距離。水流噴出后會有一段等速核區，在該區內射流速度基本不變，并且形狀近似為圓柱形，此處為射流表面強化最優區域，工作中也保證工件處于此區域內。外部流場中，沿截面方向，水流速度遞減，迅速減至0。改進后相比于未優化前的噴嘴的內外流場的壓力分布和流速分布，優化后的結構無論是壓力還是流速，在噴嘴錐段與圓柱段的銜接處的變化幅度都有所緩解，對噴嘴的沖蝕作用相對弱一些。另外，優化后的結構，其噴嘴出口的速度也略有減小，這樣既能滿足射流表面強化作用的速度要求又延長了噴嘴的使用壽命。

4 結語

本設計屬于應用型設計，依據水射流的表面強化原理，圍繞機器的基本組成，設計出能實現基本工作要求的設備。它結構簡單，能滿足基本的工作要求，同時也存在諸多不足之處，例如設計中只考慮了齒輪齒條的往返控制，不能實現完全的自動化；工件的裝夾定位也未考慮其中；工作臺的水平度測量與調節也未考慮；噴出水的回收部分也未考慮，但需要優化改造的地方還有很多，有待進一步改進。

圖1 速度云圖

[1]李曉紅，廖勇.高圍壓下磨料水射流切割的模糊建模和實驗研究[D].重慶：重慶大學，2004.

[2]康燦，劉海霞.高壓水射流技術基礎及應用[M].北京：機械工業出版社，2015.

[3]陳亮.高壓水射流扇形噴嘴內外流場仿真分析[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.