前混合水射流喷丸强化喷嘴流场的数值模拟

董　星,　张贺明,　刘　文,　常　禄

(黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)



前混合水射流喷丸强化喷嘴流场的数值模拟

董星,张贺明,刘文,常禄

(黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022)

为研究前混合水射流喷丸强化喷嘴流场流动特性,应用FLUENT软件对喷嘴流场进行数值模拟。根据射流的流动特性,数值模拟中多相流动采用欧拉模型,湍流涡黏模型采用标准k-ε模型,分析了水和弹丸流场轴心速度和轴心动压强的变化规律及不同喷丸压力、收敛角和弹丸浓度对喷嘴流场的影响规律。研究表明:前混合水射流的水流场和弹丸流场轴心速度存在速度滑移,水流场的轴心速度大于弹丸流场的轴心速度,而弹丸流场的轴心动压强明显大于水流场的轴心动压强;且水流场和弹丸流场的轴心速度和轴心动压强均随着喷丸压力的增加而增大、随着喷嘴圆锥收敛角和弹丸浓度的增加而减小,在13°圆锥收敛角时喷嘴的性能最好。

水射流; 喷丸强化; 喷嘴; 流场; 数值模拟

0　引　言

前混合水射流喷丸强化是近些年来问世的一项湿式喷丸强化新技术,是高压水射流技术在喷丸强化领域的延拓与发展[1-3]。其基本原理就是将预混合的弹丸与水的液固两相介质,经由喷嘴高速喷射到金属零构件表面上,通过弹丸冲击产生的法向力和切向力的联合作用,使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变,呈现理想的组织结构和残余应力分布,从而达到提高金属零构件疲劳抗力的目的[4-7]。

喷嘴是前混合水射流喷丸强化系统的关键元件,是将工作介质的压能转化为动能的唯一部件,其性能的优劣直接影响到射流的品质和喷丸强化质量[8-10]。因此,为了提高射流品质和喷丸强化质量,延长喷嘴使用寿命,对喷嘴流场的研究始终是水射流工作者研究的热点问题之一。但由于喷嘴喷出的射流是紊态的复杂流动,理论分析难以求得高精确的解析解,实验测量难度大、成本高,计算流体动力学的发展为解决这一问题提供了有效方法[11-12]。笔者应用FLUENT软件对喷嘴流场进行数值模拟,探究喷丸压力、喷嘴圆锥收敛角和弹丸浓度对射流流场的影响,为优化喷嘴结构和提高喷丸强化质量提供技术基础。

1　模型与方法

1.1几何模型

采用出口带圆柱段的圆锥收敛形喷嘴,其结构尺寸:入口直径D=6 mm,出口直径d=1.8 mm,圆锥收敛角为α,喷嘴长度为l,入口圆柱段长度l1=2 mm,出口圆柱段长度l2=5.4 mm,喷嘴几何模型如图1所示。

图1　几何模型

1.2有限元模型

有限元模型中的网格是模拟分析的重要载体,其质量的优劣对数值模拟的计算效率、准确性产生重要影响。采用FLUENT软件的前处理模块GAMBIT进行网格划分,取喷嘴出口轴心点为坐标原点,考虑到喷嘴结构的对称性,只对1/2模型进行划分。网格划分采用均匀四边形网格,在喷嘴出口及附近流体流动变化大的区域进行局部细化,划分得到的有限元模型如图2所示。

图2　有限元模型

1.3数学模型

由于研究的前混合水射流喷丸喷嘴中弹丸体积分数大于10%,因此采用多相流动模型中的欧拉模型模拟液固两相流动,湍流涡黏模型采用标准k-ε模型进行求解。

1.3.1控制方程

(1)连续性方程

欧拉模型中水和弹丸的连续性方程分别为[12]

(αlρlvl)=0,

(1)

(αpρpvp)=0,

(2)

式中:αl、αp——水和弹丸的体积分数;

ρl、ρp——水和弹丸的密度;

vl、vp——水和弹丸的速度向量。

(2)动量方程

欧拉模型中水和弹丸的动量方程分别为[12]

Kpl(vp-vl)+αlρl(Fl+Flift, l),

(3)

Klp(vl-vp)+αpρp(Fp+Flift, p),

(4)

式中:p——水和弹丸相共享的压力;

τl、τp——水和弹丸的应力张量;

g——重力加速度;

Klp、Kpl——水和弹丸之间的动量交换系数,Klp=Kpl;

Fl、Fp——水和弹丸的外部体积力;

Flift, l、Flift, p——水和弹丸的升力;

pp——弹丸的压力。

1.3.2湍流模型

(5)

(6)

式中:k——单位质量流体湍动能;

μt——湍动能黏性系数,μt=Cμρk2/ε;

Cμ——经验常数;

ε——单位质量流体湍动能耗散率;

C1、C2——系数;

σk、σε——k和ε的湍流Prandtl数。

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

1.4计算方法

选择二维单精度求解器,基于压力耦合SIMPLE算法进行求解,离散格式动量方程采用二阶迎风格式,其他采用一阶迎风格式。计算过程中适当调整压力、动量、k和ε等亚松弛因子以便更好的收敛,收敛判据为流场迭代的残差R≤10-3。

1.5边界条件

喷嘴入口取压力入口边界;出口取压力出口边界;轴线为轴对称条件;固体壁面满足速度无滑移条件,近壁区选用标准壁面函数。材料属性设置:液态水为主相,密度为103kg/m3,黏度为10-3Pa·s;弹丸为第二相,材料选用玻璃珠,密度为2.6×103kg/m3,直径为0.2 mm。

2　模拟结果与分析

2.1水流场和弹丸流场的模拟结果

取喷丸压力p=20 MPa,喷嘴圆锥收敛角α=13°,弹丸浓度c=10%进行数值模拟。

2.1.1轴心速度

图3给出了水和弹丸流场轴心速度vz的变化曲线。由图3可以看出,水和弹丸流场的轴心速度存在速度滑移,在喷嘴圆锥收敛段,水和弹丸的速度均迅速增加,但水的速度比弹丸速度增加快,使得水和弹丸之间的速度差增大;在喷嘴出口圆柱段,水和弹丸的速度仍继续增加,但与圆锥收敛段相比速度增幅放缓;在喷嘴外流场,水的轴心速度在7.2 mm靶距范围内缓慢下降,之后由于水与周围环境流体作用致使速度迅速下降,而弹丸的速度先有短暂增加,达到峰值后也开始迅速下降,由于弹丸的惯性大,因此速度衰减比水缓慢,在距喷嘴出口13.6 mm的靶距位置处,水和弹丸的轴心速度相等,之后弹丸的轴心速度比水大。

图3　水和弹丸流场轴心速度变化曲线

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

2.1.2轴心动压强

图4给出了水和弹丸流场轴心动压强pz的变化曲线。由图4可以看出,在喷嘴圆锥收敛段,弹丸与水的轴心动压强均逐渐增加,但弹丸的轴心动压强略大于水;在喷嘴出口圆柱段,弹丸的轴心动压强增加速度比水快,在喷嘴出口处弹丸的轴心动压强明显大于水;在喷嘴外流场,弹丸轴心动压强继续增加直到5.6 mm靶距位置处达到最大,然后开始下降,而水的轴心动压强在7.2 mm靶距范围内缓慢下降,之后开始迅速下降,随着靶距的继续增加,弹丸与水的轴心动压强差值逐渐减小。由上分析可知,向水中混入一定比例的弹丸可以显著增加射流的轴心动压强,提高射流喷射效果。

图4　水和弹丸流场轴心动压强变化曲线

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

2.2喷丸压力对流场的影响

在其他条件一定,取喷丸压力分别为8、12、16、20和24 MPa进行数值模拟。

2.2.1喷丸压力对轴心速度的影响

图5给出了轴心速度随喷丸压力的变化曲线。由图5可以看出,喷丸压力对射流流场轴心速度影响较大,水和弹丸流场的轴心速度随着喷丸压力的增加而增大;在喷嘴圆锥收敛段,喷丸压力越大,轴心速度增速越快;在喷嘴出口圆柱段,轴心速度缓慢增加;在喷嘴外流场,水的轴心速度在4d靶距范围内缓慢下降,之后速度迅速下降,而弹丸流场的轴心速度先短暂增加,达到峰值后也开始迅速下降。

图5　轴心速度随喷丸压力的变化曲线

Fig. 5Curves of axial velocity with shot peening pressure

2.2.2喷丸压力对轴心动压强的影响

图6给出了轴心动压强随喷丸压力的变化曲线。由图6可以看出,水和弹丸的轴心动压强均随着喷丸压力的增加而增大,其变化规律与对轴心速度的影响变化规律相同。

图6　轴心动压强随喷丸压力的变化曲线

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

2.3收敛角对流场的影响

在其他条件一定,取喷嘴圆锥收敛角分别为13°、20°、30°、45°和60°进行数值模拟。

2.3.1收敛角对轴心速度的影响

图7给出了轴心速度随收敛角的变化曲线。由图7可以看出,水流场和弹丸流场的轴心速度均随着收敛角的增加逐渐减小,13°收敛角时水和弹丸的轴心速度最大,射流的加速效果最好。

2.3.2收敛角对轴心动压强的影响

图8给出了轴心动压强随收敛角的变化曲线。由图8可以看出,收敛角对水和弹丸流场轴心动压强的影响规律与对轴心速度的影响规律相同。

由此可知,收敛角对射流流场有一定影响,在5种收敛角中13°收敛角喷嘴性能最好。因此，在进行喷嘴结构设计时，在没有喷嘴长度尺寸约束和加工工艺影响的前提下，尽量采用13°圆锥收敛角，这样可以充分发挥圆锥收敛角的作用，得到优良的射流性能，提高射流的能量转换效率和喷丸强化效果。

图7　轴心速度随收敛角的变化曲线

Fig. 7Curves of axial velocity with convergence angle

图8　轴心动压强随收敛角的变化曲线

2.4弹丸浓度对流场的影响

在其他条件一定,取弹丸体积分数分别为10%、15%、20%、25%和30%进行数值模拟。

2.4.1弹丸浓度对轴心速度的影响

图9给出了轴心速度随弹丸体积分数的变化曲线。由图9可以看出,水流场和弹丸流场的轴心速度均随着弹丸体积分数的增加而减小,当弹丸体积分数为10%时,射流的轴心速度最大。随着弹丸体积分数的增加,单位体积内弹丸粒数增多,弹丸之间碰撞加剧,致使射流能量损失增加,从而使射流的轴心速度下降。

图9　轴心速度随弹丸浓度的变化曲线

Fig. 9Curves of axial velocity with projectile concentration

2.4.2弹丸浓度对轴心动压强的影响

图10给出了轴心动压强随弹丸体积分数的变化曲线。由图10可以看出，水流场和弹丸流场的射流轴心动压强均随着弹丸体积分数的增加而减小，当弹丸体积分数为10%时，射流轴心动压强最大。另外，由于弹丸的密度大于水，在相同的弹丸体积分数时，弹丸流场的射流轴心动压强大于水流场的射流轴心动压强。

图10　轴心动压强随弹丸浓度的变化曲线

Fig. 10Curves of axial dynamic pressure with projectile concentration

3　结　论

(1)水流场和弹丸流场的轴心速度存在速度滑移。在喷嘴内流场,水流场的轴心速度大于弹丸流场的轴心速度;在喷嘴外流场,在距喷嘴出口13.6 mm的 靶 距 范 围 内,水流场的轴心速度大于弹丸流场的

轴心速度,之后弹丸流场的轴心速度大于水流场的轴心速度。

(2)弹丸流场的轴心动压强大于水流场的轴心动压强,弹丸的加入能提高射流的喷射效果。

(3)水和弹丸流场的轴心速度和轴心动压强均随着喷丸压力的增加而增大,随着收敛角和弹丸体积分数的增加而减小,13°收敛角时喷嘴性能最好。

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(编辑李德根)

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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531569)

董星(1964-),男,河北省滦平人,教授,博士,研究方向:水射流技术及流体机械设计理论,E-mail:dongxingwrh@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.010

TH137.53

2095-7262(2015)04-0399-06

A