水射流冲击压力最佳喷距数值仿真及试验研究

叶建友，吕彦明

（江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122）

水射流冲击压力最佳喷距数值仿真及试验研究

叶建友，吕彦明

（江南大学江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122）

基于水射流冲击模型，应用Fluent流体分析软件对喷嘴射流冲击力进行数值仿真，得出不同喷距对射流冲击压力的影响。结果表明：在低压连续水射流条件下，出口直径为2 mm的喷嘴在喷距为50 mm时产生的射流冲击压力最大；并通过实验验证射流仿真模型的正确性和有效性。

水射流；数值模拟；喷距；冲击压力

水射流广泛应用于消防、喷灌、清洗、切割等领域，对国民的生产生活具有重要意义。国内外学者对其特性进行了许多研究。Nie Baisheng等[1]分析了磨料水射流撞击壁面的流场变化，得到冲击压力的大小与输入压力有关、与壁面距喷嘴的距离成反比的结论。Rajaratnam等[2]对喷嘴外水射流的速度与水体积分布进行了实验研究。Leach等[3]对射流冲击壁面的压力分布进行了实验研究，得到喷嘴的几何形状影响着射流轴心压力的结论。Leu等[4]对射流的结构和流场特性进行了研究，并将射流划分为不同区域。沈忠厚等[5-8]通过实验方法分析了淹没条件下喷距对射流冲蚀岩石的影响及非自由射流冲击产生的压力变化规律，对于射流位于轴心的压力衰减及分布提出了计算方法，在常压下对由脉冲喷嘴产生的自由淹没射流的结构特性进行了分析，同时研究了自振空化射流的压力特性与其参数的影响规律均在常压下进行。衣正尧等[9-10]提出了水射流冲击时流体建模的新方法，通过建立的冲击模型数值模拟了湍流时的喷射流场及水射流冲击速度场，仿真分析了不同压力、口径和喷距下的流场特性。

本文对水射流冲击特性进行仿真分析，得出了冲击力和喷距之间的关系，并提出其在低刚度零件切削加工辅助支撑中的应用。

1 射流冲击的建模

1.1 几何模型

本文通过三维软件UG建立射流冲击的几何模型，包括喷嘴内部流体区域及外部空间环境区域（图1）。其中，喷嘴的进口直径D=10 mm，出口直径d=2 mm，收缩角α=13°，锥直线段长度L=14 mm，喷嘴圆柱段长度l=6 mm。

将几何模型进行网格划分及边界指定（图2），对喷嘴出口及壁面中心部分进行局部加密处理，外部空间区域的长度（喷距）为不定值，可根据需要设定，区域的径向范围较大，以满足在射流冲击壁面时不产生逆向的回流。

图1 几何模型的建立

图2 网格划分及边界指定

1.2 边界条件

射流经喷嘴喷出、穿过大气后，对壁面产生冲击作用，在非淹没条件下，流体介质设定为水，环境介质为空气。如图2所示，入口为喷嘴压力入口，初始时的水相体积分数为1；出口为射流压力出口，为1标准大气压；壁面为无滑移标准壁面；L为喷距，可根据仿真需要进行设置。

1.3 求解方法与计算模型

本文选用分离求解器，采用隐式方案求解，并应用工程上最广泛的SIMPLE算法进行流场求解计算。Fluent软件中的计算模型包括多相流模型、能量方程、黏性模型等，本文对非淹没条件下的射流进行冲击仿真分析，其间存在气液两相流，且发生湍流流动，故主要考虑多相流模型和黏性模型。

2 仿真分析

在喷嘴出口直径、喷距确定时，对不同射流压力下的射流冲击力进行仿真。当射流压力为5 MPa、喷嘴出口直径为2 mm、喷距为20 mm时，其仿真结果见图3，射流对壁面的冲击压力最大值为29.3 N。

图3 射流对壁面冲击的压力分布图

同时，在喷嘴出口直径为2 mm时，分别选取射流压力为1、2、3、4、5、6 MPa、喷距为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm进行仿真，采用Origin软件对仿真结果进行分析处理，结果见图4。可看出，射流冲击力随着喷距的增大先增大、后减小，且仿真结果在理论计算结果附近上下波动。根据已知研究结果[11]，射流在空气中冲击物体时，在起始处随着喷距的增大，冲击力得以增加；当喷距增加到一定的位置时，冲击力的数值达到最大，随后开始减小，即射流冲击物体时存在着最佳喷距。

图4 喷嘴出口直径2 mm时，不同喷距的冲击力

3 实验及结果

为了验证仿真得出的水射流冲击压力和喷距之间的关系，进行了水射流冲击实验（图5）。选取喷嘴出口直径为2 mm，考虑到高压泵对射流压力的实际可调节范围，选择射流压力分别为1、2、3、4、5、6 MPa，喷距分别为10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mm。喷嘴中心对准作用力点，对弹性元件进行垂直射流冲击，通过电阻应变仪读取相应的应变值。由于射流压力在调节和传输的过程中会产生波动，在记录数据时选择记录多个数据，并取其平均值作为最终应变测量结果。

图5 射流冲击力实验现场

对测量数据进行处理后，可得到喷嘴出口直径为2 mm时，不同射流压力对应不同喷距下的射流冲击力。由表1可看出，当射流压力一定时，喷距在10～50 mm范围内增加，射流冲击力也随之增大；喷距在50～100 mm范围内增加，射流冲击力随之减小。分析可知，喷嘴出口存在着初始段速度核心区，射流的速度场与喷嘴出口处相当；超过初始段，射流的集束性变弱，射流速度随着喷距的增加而降低，射流冲击力逐渐减小。由实验结果可知，出口直径为2 mm的喷嘴，其最佳喷距约为50 mm。

表1 仿真不同进口压力、不同喷距下的射流冲击力

4 应用

轴类零件是经常遇到的典型零件。细长轴本身刚性差，其长度与直径比（L/d）一般大于25，且L/d的值越大，刚性越差。加工过程中，由于切削力的作用，细长轴会发生弯曲变形，从而引起加工误差。采用镜像误差补偿原理，即为射流产生一个和切削力相位差180°的冲击力波形，以抵消切削力，由此提高零件的工艺刚性，减小零件变形，抑制工艺系统的振动。

水射流喷射装置通过夹具固定，并使其和机床车刀同步运动，从而保证切削力和射流冲击力相位差180°。细长轴杆径方向受到的合力为切削力和射流冲击力之差，冲击力易通过射流供压压力进行控制。通过调节供压压力，使射流冲击力与切削力大小相等，因此，杆径方向受到的合力可显著减小。图6是细长轴车削射流辅助支撑实验装置，主要由射流发生装置、切削力测量装置及夹具装置等组成。

图6 细长轴车削射流辅助支撑实验装置

5 结论

（1）实验得到的射流冲击力变化趋势与仿真结果基本一致。当喷距一定时，冲击力随着压力的增加而增大，且压力越大，其产生的误差越大。

（2）当喷嘴出口直径为2 mm且射流压力确定时，喷距在10～50 mm范围内增加，射流冲击力随之增大；喷距在50～100 mm范围内增加，射流冲击力随之减小。

（3）低压水射流对细长轴的切削加工提供柔性辅助支撑作用，可提高其刚度，减小其在加工中的变形，成为低刚度零件新的加工技术。

[1]Nie Baisheng，Wang Hui.Numerical investigation of the flow field inside and outside high-pressure abrasive waterjet nozzle[J].Procedia Engineering，2011，26：48-55.

[2]Rajaratnam N，Albers C.Water distribution in very high velocity water jets in air[J].Journal of Hydraulic Engineering，1998，124（6）：647-650.

[3]Leach S J，Walker G L，Smith A V.Some aspects of rock cutting by high speed water jets[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1966，260：295-310.

[4]Leu M C，Meng P.Mathematical modeling and experimental verification of stationary water jet cleaning process [J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，1998，120：571-579.

[5]王德新，沈忠厚.在淹没条件下喷咀距离对射流冲蚀岩石体积影响的实验研究[J].华东石油学院学报，1983 （1）：21-28.

[6]孙庆孝，沈忠厚.淹没非自由射流压力衰减规律的实验研究及井底水力参数计算[J].华东石油学院学报（自然科学版），1986（1）：26-40.

[7]孙宝江，沈忠厚.脉冲喷嘴射流特性试验研究[J].石油大学学报（自然科学版），1992（4）：32-35.

[8]李根生，沈忠厚，周长山，等.自振空化射流冲击压力脉动特性实验研究[J].水动力学研究与进展，2003，18 （5）：571-575.

[9]衣正尧，王兴如，刘富强，等.纯水射流冲击性能的CFD建模与仿真分析[J].液压气动与密封，2012（1）：54-57.

[10]衣正尧，武剑，刘富强，等.纯水射流除铁锈性能的仿真对比分析与试验研究[J].流体机械，2012，40（6）：5-9.

[11]沈忠厚.水射流理论与技术[M].北京：石油大学出版社，1998.

Numerical Simulation and Experimental Research on the Best Jet Distances of Water Jet Impact Force

Ye Jianyou，Lü Yanming
（Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Based on water jet impact model，the jet impact numerical simulation was carried out by Fluent.The content include the effect of different jet distances influence on the jet impact pressure. The result shows that in the low pressure continuous water jet，the jet impact pressure maximum when the nozzle diameter is 2 mm and the jet distances is 50 mm.Finally，the validity and effectiveness of the jet simulation model were verified.

water jet；numerical simulation；jet distances；impact force

TP69

A

1009－279X（2014）05－0034-03

2014-06-20

教育部高校自主科研基金资助项目（JUSRP21116）；江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2013015-13）；江苏省“六大人才高峰”资助项目（2012-ZBZZ-003）

叶建友，男，1988年生，硕士研究生。