磨料水射流切割性能和喷嘴内外流场的仿真研究

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1、山东大学硕士学位论文磨料水射流切割性能和喷嘴内外流场的仿真研究姓名：侯荣国申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：黄传真20060513摘要磨料水射流切割性能和喷嘴内外流场的仿真研究·本文重点研究了磨料水射流加工工艺参数对大理石和陶瓷加工表面质量的影响规律。利用多相流控制方程，基于FLUENT分析软件，对磨料水(气)射流喷嘴内外多相流流场进行了模拟仿真，并对仿真结果进行了实验验证．研究了磨料水射流加工工艺参数对大理石和陶瓷加工表面质量的影响。结果表明，当水压力较大，切割速度较小时，余纹角度较小，靶距对余纹角度影响不大．当水压力较大，切割速度和靶距

2、较小时，切口锥角较小．当水压力和靶距较小，切割速度较大时，切割缝宽度较小．当水压力较大，切割速度和靶距较小时，光滑区较大。磨料流量越大，大理石的表面质量越好。分析了磨料水射流加工陶瓷时的切割面，该面可分为组织损伤区、磨粒磨削区和余纹区，磨料水射流切割过程中应当尽量避免余纹区的出现。·利用多相流控制方程，基于FUJENT分析软件，建立了磨料水(气)射流喷嘴内外多相流流场的仿真模型。高压水射流喷嘴内气液两相流场的二维仿真结果表明，喷嘴内内锥面锥角和内锥面长度是影响内部流体速度分布和漩涡性质的主要因素；锥角为30。时的速度场有利于磨料与水的混合及加速；锥角为18．

3、5。时豹速度场有利于减少喷嘴磨损。磨料气射流喷嘴内气固两相流场的二维仿真结果表明，磨料主要分布在喷嘴内中心部位：沿喷嘴轴向的速度随横截面积的减小而增大，而在喷嘴出口中心处的磨料速度较低，管壁附近的速度较高。磨料水射流喷嘴内外液固两帽流场的二维仿真结果表明，喷嘴内锥面与混合管内壁面连接圆弧半径越大、混合管长度越小、喷嘴锥角越小，射流的出口速度越大；最佳的切割靶距应当在5倍于喷嘴直径的距离之内；喷嘴内的磨料大都沿管壁分布，喷嘴出口中心处的速度最高。磨料水射流喷嘴内外气液固三相流场的二维仿真结果表明，在喷嘴内的流体中存在两个涡流区，多数磨料粒子沿壁面分布，而气相却

4、大都存在于漩涡的核心处；喷嘴外扩散后的流场可分为核心区、中间区和边界区，核心区内速度变化很小，所以在选择靶距时应使射流加工发生在核心区内，中间、区的速度梯度较大，而边界区速度衰减较小。磨料水射流三相流体在三维喷嘴内山东大学硕+学位论文。的仿真结果表明，小直径大长度混合腔内三相流的涡流速度梯度较小，而大直径小长度混合腔内三相流的涡流速度梯度较大；三相流在混合管内的径向分布是中心处速度最高，两侧速度减小；喷嘴混合腔内的压力较低，而混合管内的压力较高。喷嘴形状对磨料水射流喷嘴外气液固三相流三维流场的影响结果表明，正方形、三角形和矩形喷嘴产生的流场具有非常相似的特点

5、，在喷嘴附近的射流形状与喷嘴形状类似，随后不断圆化，最后变成圆形．椭圆形喷嘴产生的流场在远喷嘴处射流形状为椭圆形，随后不断圆化，最后变成长短轴与喷嘴椭圆形长短轴颠倒的椭圆形，可以利用上述规律，根据加工工件的形状特点，合理选择靶距，提高磨料水射流的加工效率。对纯水射流和磨料水射流的仿真结果进行了实验验证，结果表明，射流速度场的实验结果与仿真结果比较吻合，其变化规律基本一致。因此通过仿真方法可以预测磨料水射流三相流的速度场．关键词：磨料水射流，喷嘴，数值仿真，逮度场·本研究得到国家杰出青年科学基金海外青年学者合作研究基金资助(No．50328505)Abstra

6、ctStudyontheCuttingPerformanceofAbrasiveWaterJetandSimulationoftheVelocityFieldInsideandOutsidetheNozzle砸sarticleemphasisontheeffectofthecuttingpafameteraforAbrasirewa／[erjet(AWJ)such∞waterpressure，ilozzletraversespeed,standoffontheSUl-缸equalityofthemarbleandceramics．Andalsotheshmn

7、划lonofthevelocity矗eldofthemulti．phaseflow{nsideandoutsidetheAWJnozzlowascarriedoutbymulti-phaseflowcontr01equationsandFLUENTsoftware．Thesimulationresultswereverifiedbyexperiments．Thee虢ctofcuttingparameterssuchaswaterpressure，nozzletgave,csespeedandstandoffonthemarbleandeerjanicswer

8、eresearched．m坞cuttingperfo