基于fluent的锥形喷枪对两相流的影响分析
基于fluent 的锥形喷枪对两相流的影响分析
刘波,吴海,冯国勇,顾俊
(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)
摘要:利用计算流体动力学(CF D )的方法对高压磨料水射流系统的喷枪内腔进行了两相流的数值模拟。比较分析了锥形喷枪与直管喷枪内流场中磨料流动的影响。并对可视化的图形图像和计算结果进行了分析研究,结果表明,锥形喷枪的流场结构比直管喷枪要好。这为喷枪的进一步设计和改造提供了理论依据。关键词:高压水射流 锥形喷枪 数值模拟 磨料颗粒 两相流
中图分类号:T H137 文献标识码:A 文章编号:1002-6886(2011)01-0075-03
Si m ul ati on of Tapered Spray Gun ’s I nfulence on Two Phase Flow with Fluent
L I U Bo,W U Ha i ,FENG Guoyong,GU Jun
Abstract:App licati on of CF D in analysis of field fl o w in s pray gun of t w o phase fl o w .Contrast analysis on the diffient fl o w field in the tapered s pray gun and the straight one .The visualizing pictures and si m ulati on resultswere analyzed and researched,and its nu 2merical results sho w that the character of the fl o w field in the tapered s p ray gun is better than the straight one .The theory basiswas of 2fered f or the further design and rebuilding of s pray gun .
Key words:high p ressure abrasive water jet ;s pray gun;nu merical si m ulati on ;abrasive particles ;t w o phase fl o w
0 前言
目前高压磨料水射流中,固液两相是均匀混合的,且磨料广泛的分布于水流的各个空间,即没有集中于水流的中心区域。这就导致射流在射出喷嘴后,磨料仍然是分散性分布;而在切割应用领域,只需要切断对象,且有较细的切缝为好的目的。那么,我们则考虑磨料只要集中在射流的中心区域,这样切逢窄又省磨料。即要实现磨料的分散性分布转变为集中在射流中心区域的线状分布。而这只需要在喷嘴前端增加一个特殊的导引装置,即内部具有锥形收缩的喷枪。流体经过锥形结构时,其将从直线流动转变为像中间收缩流动,那么由于惯性力的作用,磨料逐渐向射流中心靠拢。
由于经收缩,射流形成的流场复杂。目前还不能通过理论解析其流场,只能定性描述其速度分布。本文就是要基于F LUE NT 的可视化数值模拟[1,2]
,来实现对喷枪内
部锥形结构的参数的优化。
1 锥形喷枪的物理模型
图1为喷枪内部锥形结构的物理模型。由图可见喷枪内腔有d (小径)和D (大径
喷)之分,基于本实验室经验,选取D =12mm,d =5mm,L
=50mm 。另外的作为比较对象的直管直径取5mm,即与
锥型结构的小径一样。本文主要分析喷枪锥形结构对内部流场中磨料流动的影响,及与直管的比较分析。
2
射流在锥形结构中的模拟仿真
211网格划分和条件设置
考虑到结果显示的更加直观,在网格划分和求解中采用3D 模型,网格划分模型如图2,喷枪内腔模型参数设置为:
因内腔具锥形结构,则有大径和小径之分。喷枪内腔小径
d =5mm,大径D =12mm;取L =50mm;边界条件设置:入
口边界条件:压力入口边界,25MPa,磨料体积占比为0.3;出口边界条件:压力出口边界,24.9MPa 。两相情况:磨料为碳化硅Si C,颗粒直径D p 为0.35mm,密度3170kg/m 3
,粘度1.72e -05Pa ?s;水为普通自来水,密度998.2kg/m 3,动力粘度0.1Pa ?s [3]
。
212喷枪内液固两相的数学模型
模型中涉及到磨料颗粒、水两相的混合流采用欧拉多相流模型。射流流场处于高湍流状态,所以采用广泛
应用的二方程模型中的标准k -ε方程模型来建立封闭的数学模型。
湍流动能方程k 和耗散方程ε
[4,5]
:
?
57?现场经验
99t (ρk )+99x i (ρku i )=99x j (μ+μt σk )9k 9x +G k
+?ωG b -ρ
ε-Y M +S K (1)99t (ρε)+99x i (ρku i )=99x j (μ+μt σε)
9k 9x j +?ωC 1ε
ε
K
(G k +G 3εG b )-C 2ε
ρε
2
K
+S K (2)连续性方程:
9u 9t +1r 9(rv )
9r
=0(3)
以上方程中G k 表示由层流速度梯度而产生的湍流动能。G b 是由浮力产生的湍流动能,Y M 由于在可压缩湍流
中,过渡的扩散产生的波动,C 1、C 2、C 3是常量,σK 和σε是
k 方程和ε方程的湍流Prandtl 数,S K 和S ε是用户定义的。
湍流速度μt 由下式确定:μt =ρ
C μK
2
ε
其中,C μ是常量。
模型常量:
C 1μ=1.44,C 2μ=1.92,C 3μ=0.09,σK =1.0,σε=1
.3213流场仿真及对比分析
图3与图4为锥形结构出口处磨料颗粒体积比率的分布图。图中发亮区域为颜色,发暗区域为浅颜色(下同)。图4显示,较大体积比率的磨料区域在X 轴深的
-115mm 至+1.5mm 之间。显然,磨料颗粒集中在圆形
截面的中心区域,其中最高体积比率达到了0.380,远大于初始定值,而圆周边缘的磨料颗粒相对较少。这是由于射流中心与边缘之间存在一定的压差造成的
[6]
,如图5所
示。由图可见中心区域的压力较低
,而边缘区域的压力较高,那么磨料自然向中心区域聚集。图6为直管的出口截面上的磨料颗粒体积比率分布。虽然磨料也有部分在中心区域集聚,但没有锥形结构的那么彻底,呈散落性分布,边缘的磨料体积比率也不低,而中心的磨料最高体积比率只达到了0.304,远小于锥形结构的0.
380。比较锥形结构
(图3)与直管(图6)两者可见:射流经过锥形结构后,磨料
能较好的集聚到射流中心区域,且都被包络在水流中间。
这样使磨料呈束状流动,使高压水射流切缝细窄,提高了磨料的使用率和切割效率
[7,8]
,更重要的是减少了对管路
的磨损。而直管没有很好的使磨料集聚到核心区域,磨料颗粒总体分散在各角落。总结来说,相同出口直径的喷枪,锥形结构比直管的磨料聚集性要强。
3 结束语
本文利用CF D 的思想对高压水射流喷枪内腔磨料的流场进行了可视化的模拟仿真。通过磨料相的体积比率分布,压力分布等分析了磨料的流动和分布情况。比较了锥形喷枪与直管喷枪对磨料流动的影响,并分析了两者之间的优劣,为今后进一步研究内流磨料分布和喷枪的设计提供了初始依据。
(下转第91页)
?
67?现代机械 2011年第1期
杆损伤有效的应力波增加,钎杆发生非正常的早期失效。在实际凿岩过程中,为追求凿岩速度提高凿岩机功率,没有考虑岩石状况也会发生类似状况。此状况在检验中空钢质量时可不予考虑。
在0.25MPa 和0.35MPa 推力下的应力波经过统计及标定,活塞在每次撞击后前三个应力波的大小见表2。
表2 不同推力下,前三个应力波的波幅
推进缸气压
1号压波幅值
(σ1)1号拉波幅值
(σ2)2号压波幅值
(σ3)0.25MPa 201.57MPa 159.06MPa 164.22MPa 0.35MPa
195.84MPa
114.63MPa
111.41MPa
在高频疲劳试验机上要快速和准确的反映中空钢素材的疲劳寿命,尽量与实际凿岩寿命相符,在拉压应力上增加实际弯曲应力。选取推进力为0.25MPa 时的应力波,得出在高频疲劳实验机上的试验参数:
F =K
σ1s 式中:K 为修正系数,取K =1.3,s 为钎杆截面面积,为
3197×10-4
m 2
。得到压力为104k N,拉力84k N
。
5 高频疲劳试验
在300k N 高频疲劳试验机上对5支
95Cr M o 中空钢试样(图7)进行疲劳试
验,试样选用95Cr M o 材质的H22中空钢素材,两端墩锻后加工螺纹。试验参数为:平均应力10k N,交变应力94
k N 。试验结果见表3。
表3
300kN 高频疲劳试验结果
序号
材质
试验参数循环次数
(105次)
失效形式失效部位1
2345
95Cr M o
平均应力
10k N
交变应力
94k N
87.3内疲劳试样中部350内67.2内疲劳试样中部350内80.18内疲劳试样中部350内
6.5脆断螺纹部76.5
内疲劳
试样中部350内
对试样内疲劳断口进行了电镜扫描分析(图8)来看,试样失效形式与实际矿山失效形式一致。从数据来看,除第4件试样由于螺纹部断裂造成失效外,其它样均为杆体中部内疲劳失效,寿命在60～90万次之间,与H22锥形钎
杆在矿山中的使用寿命一致。
6 结论
通过运用应力分析及应力波形分析相结合得到的高频疲劳试验参数,在高频疲劳试验机上对中空钢进行疲劳试验,采用压力为104k N,拉力为82.6k N 的循环拉压力能很好的模拟锥形钎杆在实际矿山中的失效状况。
参考文献
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[2]洪达林,顾太和,徐曙光.钎钢与钎具.冶金工业出版社,2000年[3]赵统武.冲击钻进动力学.冶金工业出版社,1996[4]George B.Clark Princi ples of Rock Drilling and Bit Wear
[5]赵建生.断裂力学及断裂物理.华中科技大学出版社,2002年
作者简介:熊家泽(1973-),男,硕士研究生,主要研究方向为钎钢
钎具技术研究。
收稿日期:2010-10-13
(上接第76页)
参考文献
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[2]陈汉平.计算流体力学[M ].西安:西安交通大学出版社,1998[3]熊佳,雷玉,勇杨,志峰,袁其源.基于F LUE NT 的磨料水射流喷嘴
内流场的可视化研究[J ].润滑与密封.2008(6):51253
[4]王福军.计算流体动力学分析[M ].北京:清华大学出版社,2004[5]陈春,聂松林,吴正江,李壮云.高压水射流的CF D 仿真及分析[J ].机床与液压.2006(2):1032105
[6]王洪伦,龚烈航,武光华.前混合磨料高压水射流切割喷嘴的数值
模拟[J ].解放军理工大学学报,2007(4):42244
[7]王洪伦,龚烈航,姚迪.高压水切割喷嘴的研究[J ].机床与液压.2005(4):42-43
[8]韩占忠,王敬,兰小平.F LUE NT 流体工程仿真计算实例与应用[M ].北京:理工大学出版社,2004
作者简介:刘波(1985-),男,解放军理工大学工程兵工程学院机械
电子工程专业硕士研究生,主要研究方向为军用机械机电一体化与现代设计。
收稿日期:2010-10-13
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19?材料科学