前混合水射流噴丸強化噴嘴流場的數(shù)值模擬

董　星,　張賀明,　劉　文,　?！〉?/p>

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

?

前混合水射流噴丸強化噴嘴流場的數(shù)值模擬

董星,張賀明,劉文,常祿

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為研究前混合水射流噴丸強化噴嘴流場流動特性,應(yīng)用FLUENT軟件對噴嘴流場進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)射流的流動特性,數(shù)值模擬中多相流動采用歐拉模型,湍流渦黏模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,分析了水和彈丸流場軸心速度和軸心動壓強的變化規(guī)律及不同噴丸壓力、收斂角和彈丸濃度對噴嘴流場的影響規(guī)律。研究表明:前混合水射流的水流場和彈丸流場軸心速度存在速度滑移,水流場的軸心速度大于彈丸流場的軸心速度,而彈丸流場的軸心動壓強明顯大于水流場的軸心動壓強;且水流場和彈丸流場的軸心速度和軸心動壓強均隨著噴丸壓力的增加而增大、隨著噴嘴圓錐收斂角和彈丸濃度的增加而減小,在13°圓錐收斂角時噴嘴的性能最好。

水射流; 噴丸強化; 噴嘴; 流場; 數(shù)值模擬

0　引　言

前混合水射流噴丸強化是近些年來問世的一項濕式噴丸強化新技術(shù),是高壓水射流技術(shù)在噴丸強化領(lǐng)域的延拓與發(fā)展[1-3]。其基本原理就是將預(yù)混合的彈丸與水的液固兩相介質(zhì),經(jīng)由噴嘴高速噴射到金屬零構(gòu)件表面上,通過彈丸沖擊產(chǎn)生的法向力和切向力的聯(lián)合作用,使零構(gòu)件表層材料在再結(jié)晶溫度下產(chǎn)生塑性形變,呈現(xiàn)理想的組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布,從而達(dá)到提高金屬零構(gòu)件疲勞抗力的目的[4-7]。

噴嘴是前混合水射流噴丸強化系統(tǒng)的關(guān)鍵元件,是將工作介質(zhì)的壓能轉(zhuǎn)化為動能的唯一部件,其性能的優(yōu)劣直接影響到射流的品質(zhì)和噴丸強化質(zhì)量[8-10]。因此,為了提高射流品質(zhì)和噴丸強化質(zhì)量,延長噴嘴使用壽命,對噴嘴流場的研究始終是水射流工作者研究的熱點問題之一。但由于噴嘴噴出的射流是紊態(tài)的復(fù)雜流動,理論分析難以求得高精確的解析解,實驗測量難度大、成本高,計算流體動力學(xué)的發(fā)展為解決這一問題提供了有效方法[11-12]。筆者應(yīng)用FLUENT軟件對噴嘴流場進(jìn)行數(shù)值模擬,探究噴丸壓力、噴嘴圓錐收斂角和彈丸濃度對射流流場的影響,為優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)和提高噴丸強化質(zhì)量提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1　模型與方法

1.1幾何模型

采用出口帶圓柱段的圓錐收斂形噴嘴,其結(jié)構(gòu)尺寸:入口直徑D=6 mm,出口直徑d=1.8 mm,圓錐收斂角為α,噴嘴長度為l,入口圓柱段長度l1=2 mm,出口圓柱段長度l2=5.4 mm,噴嘴幾何模型如圖1所示。

圖1　幾何模型

1.2有限元模型

有限元模型中的網(wǎng)格是模擬分析的重要載體,其質(zhì)量的優(yōu)劣對數(shù)值模擬的計算效率、準(zhǔn)確性產(chǎn)生重要影響。采用FLUENT軟件的前處理模塊GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分,取噴嘴出口軸心點為坐標(biāo)原點,考慮到噴嘴結(jié)構(gòu)的對稱性,只對1/2模型進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分采用均勻四邊形網(wǎng)格,在噴嘴出口及附近流體流動變化大的區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化,劃分得到的有限元模型如圖2所示。

圖2　有限元模型

1.3數(shù)學(xué)模型

由于研究的前混合水射流噴丸噴嘴中彈丸體積分?jǐn)?shù)大于10%,因此采用多相流動模型中的歐拉模型模擬液固兩相流動,湍流渦黏模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解。

1.3.1控制方程

(1)連續(xù)性方程

歐拉模型中水和彈丸的連續(xù)性方程分別為[12]

(αlρlvl)=0,

(1)

(αpρpvp)=0,

(2)

式中:αl、αp——水和彈丸的體積分?jǐn)?shù);

ρl、ρp——水和彈丸的密度;

vl、vp——水和彈丸的速度向量。

(2)動量方程

歐拉模型中水和彈丸的動量方程分別為[12]

Kpl(vp-vl)+αlρl(Fl+Flift, l),

(3)

Klp(vl-vp)+αpρp(Fp+Flift, p),

(4)

式中:p——水和彈丸相共享的壓力;

τl、τp——水和彈丸的應(yīng)力張量;

g——重力加速度;

Klp、Kpl——水和彈丸之間的動量交換系數(shù),Klp=Kpl;

Fl、Fp——水和彈丸的外部體積力;

Flift, l、Flift, p——水和彈丸的升力;

pp——彈丸的壓力。

1.3.2湍流模型

(5)

(6)

式中:k——單位質(zhì)量流體湍動能;

μt——湍動能黏性系數(shù),μt=Cμρk2/ε;

Cμ——經(jīng)驗常數(shù);

ε——單位質(zhì)量流體湍動能耗散率;

C1、C2——系數(shù);

σk、σε——k和ε的湍流Prandtl數(shù)。

模擬時[8],取Cμ=0.09,C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

1.4計算方法

選擇二維單精度求解器,基于壓力耦合SIMPLE算法進(jìn)行求解,離散格式動量方程采用二階迎風(fēng)格式,其他采用一階迎風(fēng)格式。計算過程中適當(dāng)調(diào)整壓力、動量、k和ε等亞松弛因子以便更好的收斂,收斂判據(jù)為流場迭代的殘差R≤10-3。

1.5邊界條件

噴嘴入口取壓力入口邊界;出口取壓力出口邊界;軸線為軸對稱條件;固體壁面滿足速度無滑移條件,近壁區(qū)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。材料屬性設(shè)置:液態(tài)水為主相,密度為103kg/m3,黏度為10-3Pa·s;彈丸為第二相,材料選用玻璃珠,密度為2.6×103kg/m3,直徑為0.2 mm。

2　模擬結(jié)果與分析

2.1水流場和彈丸流場的模擬結(jié)果

取噴丸壓力p=20 MPa,噴嘴圓錐收斂角α=13°,彈丸濃度c=10%進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1.1軸心速度

圖3給出了水和彈丸流場軸心速度vz的變化曲線。由圖3可以看出,水和彈丸流場的軸心速度存在速度滑移,在噴嘴圓錐收斂段,水和彈丸的速度均迅速增加,但水的速度比彈丸速度增加快,使得水和彈丸之間的速度差增大;在噴嘴出口圓柱段,水和彈丸的速度仍繼續(xù)增加,但與圓錐收斂段相比速度增幅放緩;在噴嘴外流場,水的軸心速度在7.2 mm靶距范圍內(nèi)緩慢下降,之后由于水與周圍環(huán)境流體作用致使速度迅速下降,而彈丸的速度先有短暫增加,達(dá)到峰值后也開始迅速下降,由于彈丸的慣性大,因此速度衰減比水緩慢,在距噴嘴出口13.6 mm的靶距位置處,水和彈丸的軸心速度相等,之后彈丸的軸心速度比水大。

圖3　水和彈丸流場軸心速度變化曲線

Fig. 3Axial speed curve of water and projectile flow field

2.1.2軸心動壓強

圖4給出了水和彈丸流場軸心動壓強pz的變化曲線。由圖4可以看出,在噴嘴圓錐收斂段,彈丸與水的軸心動壓強均逐漸增加,但彈丸的軸心動壓強略大于水;在噴嘴出口圓柱段,彈丸的軸心動壓強增加速度比水快,在噴嘴出口處彈丸的軸心動壓強明顯大于水;在噴嘴外流場,彈丸軸心動壓強繼續(xù)增加直到5.6 mm靶距位置處達(dá)到最大,然后開始下降,而水的軸心動壓強在7.2 mm靶距范圍內(nèi)緩慢下降,之后開始迅速下降,隨著靶距的繼續(xù)增加,彈丸與水的軸心動壓強差值逐漸減小。由上分析可知,向水中混入一定比例的彈丸可以顯著增加射流的軸心動壓強,提高射流噴射效果。

圖4　水和彈丸流場軸心動壓強變化曲線

Fig. 4Axial dynamic pressure curve of water and projectile flow field

2.2噴丸壓力對流場的影響

在其他條件一定,取噴丸壓力分別為8、12、16、20和24 MPa進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2.1噴丸壓力對軸心速度的影響

圖5給出了軸心速度隨噴丸壓力的變化曲線。由圖5可以看出,噴丸壓力對射流流場軸心速度影響較大,水和彈丸流場的軸心速度隨著噴丸壓力的增加而增大;在噴嘴圓錐收斂段,噴丸壓力越大,軸心速度增速越快;在噴嘴出口圓柱段,軸心速度緩慢增加;在噴嘴外流場,水的軸心速度在4d靶距范圍內(nèi)緩慢下降,之后速度迅速下降,而彈丸流場的軸心速度先短暫增加,達(dá)到峰值后也開始迅速下降。

圖5　軸心速度隨噴丸壓力的變化曲線

Fig. 5Curves of axial velocity with shot peening pressure

2.2.2噴丸壓力對軸心動壓強的影響

圖6給出了軸心動壓強隨噴丸壓力的變化曲線。由圖6可以看出,水和彈丸的軸心動壓強均隨著噴丸壓力的增加而增大,其變化規(guī)律與對軸心速度的影響變化規(guī)律相同。

圖6　軸心動壓強隨噴丸壓力的變化曲線

Fig. 6Curves of axial dynamic pressure with shot peening pressure

2.3收斂角對流場的影響

在其他條件一定,取噴嘴圓錐收斂角分別為13°、20°、30°、45°和60°進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.3.1收斂角對軸心速度的影響

圖7給出了軸心速度隨收斂角的變化曲線。由圖7可以看出,水流場和彈丸流場的軸心速度均隨著收斂角的增加逐漸減小,13°收斂角時水和彈丸的軸心速度最大,射流的加速效果最好。

2.3.2收斂角對軸心動壓強的影響

圖8給出了軸心動壓強隨收斂角的變化曲線。由圖8可以看出,收斂角對水和彈丸流場軸心動壓強的影響規(guī)律與對軸心速度的影響規(guī)律相同。

由此可知,收斂角對射流流場有一定影響,在5種收斂角中13°收斂角噴嘴性能最好。因此，在進(jìn)行噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在沒有噴嘴長度尺寸約束和加工工藝影響的前提下，盡量采用13°圓錐收斂角，這樣可以充分發(fā)揮圓錐收斂角的作用，得到優(yōu)良的射流性能，提高射流的能量轉(zhuǎn)換效率和噴丸強化效果。

圖7　軸心速度隨收斂角的變化曲線

Fig. 7Curves of axial velocity with convergence angle

圖8　軸心動壓強隨收斂角的變化曲線

2.4彈丸濃度對流場的影響

在其他條件一定,取彈丸體積分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%、25%和30%進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.4.1彈丸濃度對軸心速度的影響

圖9給出了軸心速度隨彈丸體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。由圖9可以看出,水流場和彈丸流場的軸心速度均隨著彈丸體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,當(dāng)彈丸體積分?jǐn)?shù)為10%時,射流的軸心速度最大。隨著彈丸體積分?jǐn)?shù)的增加,單位體積內(nèi)彈丸粒數(shù)增多,彈丸之間碰撞加劇,致使射流能量損失增加,從而使射流的軸心速度下降。

圖9　軸心速度隨彈丸濃度的變化曲線

Fig. 9Curves of axial velocity with projectile concentration

2.4.2彈丸濃度對軸心動壓強的影響

圖10給出了軸心動壓強隨彈丸體積分?jǐn)?shù)的變化曲線。由圖10可以看出，水流場和彈丸流場的射流軸心動壓強均隨著彈丸體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，當(dāng)彈丸體積分?jǐn)?shù)為10%時，射流軸心動壓強最大。另外，由于彈丸的密度大于水，在相同的彈丸體積分?jǐn)?shù)時，彈丸流場的射流軸心動壓強大于水流場的射流軸心動壓強。

圖10　軸心動壓強隨彈丸濃度的變化曲線

Fig. 10Curves of axial dynamic pressure with projectile concentration

3　結(jié)　論

(1)水流場和彈丸流場的軸心速度存在速度滑移。在噴嘴內(nèi)流場,水流場的軸心速度大于彈丸流場的軸心速度;在噴嘴外流場,在距噴嘴出口13.6 mm的 靶 距 范 圍 內(nèi),水流場的軸心速度大于彈丸流場的

軸心速度,之后彈丸流場的軸心速度大于水流場的軸心速度。

(2)彈丸流場的軸心動壓強大于水流場的軸心動壓強,彈丸的加入能提高射流的噴射效果。

(3)水和彈丸流場的軸心速度和軸心動壓強均隨著噴丸壓力的增加而增大,隨著收斂角和彈丸體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,13°收斂角時噴嘴性能最好。

[1]董星, 段雄. 高壓水射流噴丸強化技術(shù)[J]. 表面技術(shù), 2005, 34(1): 48-49.

[2]董星, 王瑞紅, 段雄. 前混合水射流臨界噴丸壓力的研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2008, 33(4): 462-466.

[3]董星, 王瑞紅, 段雄. 前混合水射流噴丸表面粗糙度的試驗研究[J]. 煤炭學(xué)報, 2009, 34(10): 1410-1415.

[4]吉春和. 前混合磨料水射流噴丸強化技術(shù)[J]. 煤礦機(jī)電, 2008(5): 72-73.

[5]呂國慶, 張新民. 前混合水射流強化技術(shù)及發(fā)展[J]. 機(jī)械工程與自動化, 2010(3): 215-216.

[6]董星, 郭睿智, 段雄. 前混合水射流噴丸強化表面力學(xué)特性及疲勞壽命試驗[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2011, 47(4): 164-170.

[7]SADASIVAM BALAJI, AROLA DWAYNE. An examination of abrasive water jet peening with elastic pre-stress and the effects of boundary conditions[J]. Machining Science and Technology. 2012, 16(1): 71-95.

[8]董星, 郝婷婷, 陳少云, 等. 前混合水射流噴丸噴嘴內(nèi)流數(shù)值模擬[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報, 2010, 20(3): 175-179.

[9]馬飛, 張文明. 水射流擴(kuò)孔噴嘴內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2006, 28(6): 576-580.

[10]YANG MINGGUAN, WANG YULI, KANG CAN, et al. Multiphase flow and wear in the cutting head of ultra-high pressure abrasive water jet [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009, 22(5): 729-734.

[11]王常斌, 沈艷霞, 劉照東, 等. 錐直噴嘴淹沒磨料射流場的數(shù)值模擬[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報, 2011, 35(1): 51-55.

[12]董星, 楊威, 李光煜. 歐拉模型的后混合水射流噴丸噴頭內(nèi)流數(shù)值模擬[J]. 黑龍江科技大學(xué)學(xué)報, 2014, 24(2): 206-210.

(編輯李德根)

Numerical simulation in nozzle flow field of premixed water-jet peening strengthening

DONGXing,ZHANGHeming,LIUWen,CHANGLu

(School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at studying the nozzle flow characteristics of premixed water jet shot peening strengthening, the nozzle flow field is numerical simulated by FLUENT software. The analysis of the variation regulation on axial velocity and axial dynamic pressure of water and projectile flow field and the effect of different shot peening pressure, convergence angle, projectile concentration on the nozzle flow field based on the flow characteristics of the jet, Euler model used as the multiphase flow model and the standardk-epsiion model used as turbulent eddy viscosity model in the numerical simulation. The research shows that the axial velocity of water and projectile flow field of premixed water jet exists slip velocity, and axial velocity of water flow field more than that of projectile, but dynamic pressure of projectile flow field higher than that of water, and the axial velocity and axial dynamic pressure of water and projectile are added with the adding shot peening pressure, while reduced with the increasing of cone contraction angle of nozzle and concentration of projectile, and the performance of the nozzle best as the contraction angle is 13°.

water jet; shot peening strengthening; nozzle; flow field; numerical simulation

2015-06-08

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12531569)

董星(1964-),男,河北省灤平人,教授,博士,研究方向:水射流技術(shù)及流體機(jī)械設(shè)計理論,E-mail:dongxingwrh@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.010

TH137.53

2095-7262(2015)04-0399-06

A