淹没条件下磨料射流数值仿真分析及实验研究

论文摘要

利用FLUENT软件,对淹没磨料射流进行了多相流的数值模拟,计算了不同结构形式的喷嘴内外流场特性。探讨了在淹没条件下前后混合磨料射流的冲击角度、流量、压力、靶距、混砂管长度、混沙管直径、磨料浓度、围压变化对喷嘴内外流场的影响规律,对磨料粒子的运行轨迹进行了预测,同时对可视化的流场分布及计算结果进行了分析。对于前混合磨料射流,分别数值模拟了26 0、4 50、6 00锥直型喷嘴内外流场及磨粒运动特性,并对淹没条件下影响射流打击力的因素--靶距、冲击角度和围压进行了仿真分析。分析结果表明:淹没磨料射流存在一射流核,约为（3 ? 5）D,但随后射流衰减较快。圆柱、圆锥、锥直型三种典型喷嘴以锥直型喷嘴效果最好,且以26 0锥直型喷嘴效果更优。射流打击力、切缝宽度随靶距的增大而减小,随泵压的增大而增大。压力峰值随着冲击角度的增大而增大,在90 0（即垂直打击）时最大,但考虑射流反射的影响,最优工况在80 0左右。在其它条件不变时,射流等速核的长度、轴心动压、轴向速度衰减规律不随围压的变化而变化。对于后混合磨料射流,研究了混砂管长度等对射流性能的影响,并对磨粒粒子在后混合式喷嘴中的混合加速过程进行了模拟。同时为更加直观反映后混合喷嘴内流场分布及混砂特性,数值模拟了三维流场及混砂流线轨迹,得出了喷嘴内速度及压力分布,为进一步的可视化三维仿真分析打下了基础。同时为提高淹没射流的有效靶距,提高射流水下的切割能力,提出了通过加保护气的形式来改善射流的发散度和密集度,并对其进行了数值仿真研究。结果表明:随混砂管的增长,磨粒的速度明显增大,管长为20mm时得到的速度约540 m /s。适当的通入保护气体可以有效改善射流的性能,提高淹没射流的有效靶距,射流束及磨粒速度均得到了一定程度的提高。当气量供应增大到一定值后,改善效果减弱。在后混合磨料射流实验平台上,进行了淹没磨料射流相关实验。对纯水及磨料射流在较低压力下的射流轴心动压进行了测量,同时进行了磨料射流切割混凝土实验。研究了系统压力、靶距和混砂管长度对后混合磨料射流切割深度的影响,以验证仿真结果。实验表明:仿真分析与实验结果变化规律基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 水射流研究现状及发展前景
• 1.1.1 纯水射流
• 1.1.2 磨料水射流
• 1.2 计算流体动力学在射流领域的研究进展
• 1.3 论文的主要工作及研究意义
• 第二章 磨料水射流的基本理论
• 2.1 磨料射流切割系统组成及原理
• 2.2 砂水混合方式
• 2.2.1 外混合式磨料水射流
• 2.2.2 前混合式磨料水射流
• 2.2.3 后混合式磨料水射流
• 2.3 射流动力学分析
• 2.3.1 出口速度
• 2.3.2 射流轴线流速衰减规律
• 2.3.3 反作用力
• 2.4 磨料水射流加工机理
• 2.4.1 加工脆性材料的机理
• 2.4.2 磨料水射流的打击压力
• 2.5 切割模型的建立
• 2.5.1 切割深度模型
• 2.5.2 切割轨迹模型
• 2.6 小结
• 第三章 淹没条件下前混合磨料水射流的数值仿真
• 3.1 数学模型
• 3.2 淹没射流流场的二维仿真研究
• 3.2.1 淹没射流基本结构流场仿真
• 3.2.2 喷嘴对射流流场影响的仿真研究
• 3.2.3 喷嘴直径对流场的影响
• 3.3 前混合淹没磨料射流的二维仿真
• 3.3.1 不同锥直型喷角对射流性能影响规律
• 3.3.2 靶距对淹没磨料射流打击力性能的影响
• 3.3.3 冲击角度对射流打击力的影响
• 3.3.4 磨粒及射流束出口速度分析
• 3.3.5 围压对射流性能的影响
• 3.4 小结
• 第四章 淹没条件下后混合磨料水射流的数值仿真
• 4.1 后混合淹没磨料射流的二维仿真研究
• 4.1.1 混砂管长度对磨粒加速的数值模拟
• 4.1.2 通保护气的气液固三相流仿真研究
• 4.2 后混合磨料射流的三维仿真分析
• 4.2.1 三维仿真模型的建立
• 4.2.2 边界条件设置及仿真结果分析
• 4.3 小结
• 第五章 磨料水射流的实验研究
• 5.1 实验设备与测试系统
• 5.1.1 实验设备
• 5.1.2 测试系统
• 5.2 实验方法
• 5.3 淹没条件下后混合磨料射流实验验证
• 5.3.1 淹没磨料水射流的二维仿真研究
• 5.3.2 实验结果与仿真结果的比较
• 5.4 淹没条件下通保护气纯水射流的实验验证
• 5.5 淹没条件下后混和磨料射流切割混凝土的实验验证
• 5.5.1 系统压力对切割质量的影响
• 5.5.2 靶距对切割质量的影响
• 5.5.3 切割角度与切深的关系
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢