船舶高壓水射流除銹過程有限元仿真分析

李占鵬 趙立玉 梅中華

摘? ? 要：船舶除銹清洗作業在海工裝備制造維修中占有重要的地位。傳統的人工砂除銹不僅效率低下，而且污染環境，影響海洋裝備制造業的綠色發展。如何高質、高效、低耗、環保的實施高壓水射流除銹作業至關重要。本文利用 FLUENT 軟件，通過流場仿真分析、靶面受力仿真分析、不同射流壓力的除銹效果仿真分析、射流參數優化仿真分析等使其得到優化，提高船舶除銹的效率，為除銹清洗機構結構設計提供技術參考與指導。

關鍵詞：高壓水射流;流場;靶面;參數優化;船舶除銹

中圖分類號：U671.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Ship rust removal and cleaning plays an important role in ship construction and maintenance. Traditional artificial sand rust removal is not only inefficient， but also pollutes the environment and affects the green development of shipbuilding industry. How to carry out high-pressure water jet rust removal and cleaning operation with high quality， high efficiency， low consumption and environmental protection.? In this paper， by using FLUENT software， it is optimized through flow field simulation analysis， target surface force simulation analysis， the influence of different jet pressure on the rust removal effect， and the optimization simulation of jet parameters， so as to improve the efficiency of ship rust removal and provide technical reference and guidance for the structural design of rust removal and cleaning mechanism.

Key words： High pressure water jet; Flow field; Target surface; Parameter optimization; Ship rust removal

1? ? ?引言

船舶工業被譽為綜合工業之冠，中國的船舶裝備制造業是國際競爭力最強的產業之一。近幾年來，隨著海洋發展戰略的實施，中國船舶工業發展迅速，其船舶及海洋裝備建造、修理取得的成就令世人矚目。

船舶除銹清洗是造船和修船不可或缺的重要環節。由于船舶外壁長期沉浸在海水中，飽受海水的侵蝕，不可避免的會發生銹蝕。為提高船舶的使用壽命和增加使用安全性，當船舶外壁銹蝕到一定程度時，必須進行除銹清洗保養維修。

目前國內船舶清洗除銹大都還采用傳統的人工手持噴槍進行噴干砂除銹，不僅效率低下且污染環境，影響著海洋裝備制造業的綠色發展，如何高質、高效、低耗、環保的實施高壓水射流除銹清洗作業至關重要。本文利用FLUENT 軟件，對高壓水射流在流場中除銹過程進行仿真分析，用于提高除銹作業的除銹效率，為除銹清洗機構結構設計提供技術支持與指導。

2? ? ?流場仿真分析

噴嘴是形成高壓水射流工況的直接元件，對高壓水射流的工作效果有著重要影響。由大量實驗證明，采用圓錐收斂型噴嘴的除銹效果最好（如圖1所示），其主要設計參數為：收縮角α為13°;長徑比l/d 為3;噴嘴直徑d 為0.3 mm。

噴嘴采用壓力入口邊界條件，根據實際工況壓力定為200 MPa;壓力出口為空氣，即1個標準大氣壓;多相流模型為混合模型，第一相為水、第二相為空氣;湍流模型選擇標準k‐ε模型。模擬過程為高壓水通過噴嘴形成高速射流，經由空氣介質沖擊到靶面上，形成對目標靶面的沖擊破壞。圖3為流場速度云圖、圖4為動壓力分布圖。

3? ? ?靶面受力仿真分析

（1）打擊壓力仿真分析

當水射流沖擊靶面時，會有部分動能轉化為壓能和機械能。研究靶面的受力情況，主要考察靶面的打擊壓力分布和剪切力分布。

圖5為靶面所受打擊壓力的云圖，從圖5可知：靶面所受打擊壓力較小，但在射流中心處所受打擊壓力最大，隨著與射流中心距離的逐漸增大，打擊壓力也逐漸變小;圖6為靶面徑向所受打擊壓力的分布圖，從圖中可以看出：靶面徑向所受打擊壓力呈高斯曲線分布，靶面徑向所受打擊壓力隨著與中心距離的逐漸減小而增大，當射流位于中心處所受打擊壓力達到最高值，隨著與中心處距離的增大而逐漸減小為零，且在射流中心處兩側呈軸對稱分布。

（2）剪切力仿真分析

剪切力對船體表面油漆的清除起著非常關鍵的作用：圖7為靶面所受剪切力云圖，從圖7可以看出：靶面所受最大剪切力并不為射流中心點，而在射流中心點的周圍。這點不同于打擊壓力的變化規律;圖8為靶面徑向剪切力的分布曲線圖，從圖8可以看出：剪切力在射流中心點兩側呈雙駝峰曲線的變化形式，從射流中心點到兩側為最大剪切力區域，在射流中心點剪切力為0，隨著與射流中心距離越來越大，剪切力由零迅速增大至最大值后逐漸減少。

4? ? ?不同射流壓力對除銹效果的影響

為了看清射流壓力對流場中射流特性的影響，將壓力分別定為由50 MPa起，按每50 MPa遞增直到250 MP為止，其他條件保持不變，比較不同壓力下流場中射流特性的變化。圖9為不同射流壓力下的速度對比圖、圖10為不同射流壓力下的動壓力對比圖。

圖11、圖12分別為不同射流壓力下靶面所受的最大打擊壓力和最大剪切力。由圖11、圖12可知：靶面所受的最大打擊壓力和最大剪切力都隨射流壓力的增加呈近乎線性增長。這說明：提高射流壓力可以明顯的提高射流的沖擊破壞能力，但是增加射流壓力會增加成本，經大量實驗總結，應用于船體表面除銹的射流壓力取為200‐270 MPa。

5? ? ?射流參數優化仿真

靶距是指噴嘴距離船舶壁面的距離，入射角度是指高壓水射流中心線與船舶壁面法線的夾角。利用有限元仿真技術，改變射流的靶距和入射角度，對比在不同參數下射流的流場特性及靶面的受力效果，確定射流除銹效果最佳的工作參數，為射流壓力為200MPa 的除銹清洗機構的結構設計提供指導。

5.1? ?靶距優化

保持其他高壓水射流的工作參數不變，仿真采用入口射流壓力為200 MPa、流量為30 L/min、噴嘴直徑為1 mm、入射角度為0°，即射流垂直沖擊靶面。改變射流的靶距，將射流的靶距定為由5 mm起，按每5 mm遞增直到30 mm為止，研究靶距對除銹效果的影響。圖13為不同靶距下靶面所受最大剪切力曲線圖。

從圖13可以看出：當靶距小于20 mm 時，靶面最大剪切力下降較少，但靶距太小時，雖然靶面最大剪切力較大但作用面積減小，除銹效率低;當靶距為25 mm 時，靶面最大剪切力下降甚大。因此，經綜合對比分析，選擇靶距為15～20 mm，其除銹效果最佳。

5.2? ?射流角度優化

改變射流的入射角度會大大改變壁面所受的剪切力，直接影響到除銹的效果。保持其他高壓水射流的工作參數不變，仿真依然采用入口射流壓力為200MPa、流量為30 L/min、噴嘴直徑為1 mm、靶距定為20 mm。改變射流的入射角度，將射流的入射角度由0°起，按每5°遞增直至45°為止，得出如圖14所示不同入射角度下靶面所受最大剪切力曲線圖。

從圖14可以看出：增加入射角度，靶面所受的最大剪切力先增大后減小，在入射角度達到30°時，靶面所受的最大剪切力最大;入射角度過小，壁面所受的剪切力減小且作用面積也減小;而入射角度過大，又會造成射流能量損失過多。經綜合對比分析，當入射角度為30°左右時，其除銹效果較好、能量損失最小。

6? ? ?結論

本文利用 FLUENT 軟件對高壓水射流除銹過程進行仿真分析，通過仿真中的湍流模型和多相流模型，對水射流在流場中的射流特性和靶面的受力分布情況（包括靶面所受的打擊壓力和剪切力）、水射流參數（射流壓力、射流靶距、入射角度）對靶面受力的影響、射流壓力為200 MPa 的高壓水射流除銹的射流靶距和入射角度的優化研究等，得出如下結論：

（1）高壓水射流技術應用于船體表面除銹的射流壓力為220～270 MPa較好;

（2）除銹的靶距定為15～20 mm 之間，除銹效果較好;

（3）高壓水射流在除銹作業過程中，入射角度為30°左右時，除銹作業效果會較佳。

本文通過研究分析船舶除銹爬壁機器人的除銹效率影響因素，為除銹清洗機構結構設計和除銹實驗提供技術參考與指導。

參考文獻

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