磨料水射流喷嘴结构优化设计

丁祥青

(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院，江苏 无锡 214028)



磨料水射流喷嘴结构优化设计

丁祥青

(江苏联合职业技术学院 无锡机电分院，江苏 无锡 214028)

为优化喷嘴结构，提高射流加工能力，文章首先从喷嘴的各主要参数入手，设计出几种不同结构的喷嘴，并建立各自的物理模型，然后分别对各喷嘴结构进行流场分析，找到最佳的喷嘴结构。研究表明：进出口比越大，射流出口速度越大，颗粒相速度也越大；磨料入口角度对磨料颗粒速度也有一定影响。

磨料水射流；喷嘴；流场；颗粒相

0 引言

由于磨料水射流(Abrasive Waterjet，AWJ)独有的冷加工特性，让其成为了最近四十年来发展最为迅速的一门特种加工技术，其应用越来越普遍，目前被广泛应用于航空航天、机械加工、汽车制造、铸造业、兵器工业、电子、建筑业及造纸业等行业[1]。水射流喷嘴是射流机床加工过程中的主要部件，其质量好坏决定了射流的加工质量，因此对其的影响具有重要的意义[2]。

Quinn W R 等通过数值计算对不可压缩流体流过不同流线形状的喷嘴时的各流场参数的研究，得出不同的喷嘴流道形状下水射流的速度衰减不同[3]。Babets K E 等通过对喷嘴内部的紊流流场的数值模拟和实验比较得出喷嘴内部的流场受到流体的空化和分离的影响[4]。Liu H 等通过水射流内部流场的单相流和多项流的数值分析，并通过实验得出不同的初始条件和边界条件下的数据，分析研究模拟和实验结果得出:射流的轴向速度在初始段衰减比较快，在出口截面处磨料的速度呈“帽形”分布；在喷嘴内部，不同的磨料的速度衰减相似且分布也相似，但是小磨料相对于大磨料加速较快[5]。由于增压设备压力有限，通过增大压力提高射流及颗粒相速度的办法越来越难[6]。因此本文通过改变喷嘴结构，从而优化喷嘴结构，实现射流速度及颗粒相速度的增大，提高射流的加工特性，在压力技术限制的情况下，大大提高了射流的加工效率。

1 磨料水射流工作原理

如图1所示为磨料水射流喷嘴结构示意图[7]。基本原理为[8]：高压水通过水喷嘴1以极高的速度向混合室3喷出，形成高速纯水射流，射流在混合室3内与空气介质发生能量的交换，速度开始衰减，磨料颗粒从磨料入口2中进入混合室，部分进入高速水核心区，部分跟随扩散层射流流动，开始进入3收缩段流体整体开始加速，进入砂管4进一步加速整流后，从出口5喷出。

本文中，主要以磨料水射流喷嘴为研究对象，喷嘴结构对射流结构以及切割质量都有很大的影响，在建立喷嘴结构模型时，其参数的选择都是参照实际应用以及现有文献的最优结构，故本文中的仿真分析具有现实指导意义。

1.水喷嘴 2.气体入口 3.混合室 4. 砂管 5. 喷嘴出口图1 磨料水射流喷嘴结构示意图

2 喷嘴结构设计及其内部流场结果分析

通过理论分析可知，磨料水射流流场存在较大的能量损失[9-10]，前人近似的将磨料颗粒相速度近似的等于流体速度，与实际情况相差较大。本文通过对不同进水口与出水口比例的模型进行流场仿真，分析喷嘴轴线上混合相速度、DPM颗粒相速度及 DPM颗粒相浓度，研究流体对颗粒相加速情况，分析流体对颗粒相加速效率。

2.1 进口、出口尺寸对喷嘴内部流场影响

本节建立四种不同入水出口与出水口比例的磨料水射流喷嘴，进水口/出水口尺寸比分比为0.3mm/1.0mm、0.5mm/1.0mm、1.0mm/1.0mm、1.0mm/0.5mm。磨料进口与进水口角度为90°，磨料颗粒尺寸为0.12mm，水喷嘴长度为30mm，水口压力为180MPa。

对不同模型的喷嘴进行流场仿真，利用Fluent软件后处理软件绘制喷嘴轴线上流体的速度及DPM颗粒相速度，如图2～图5所示。

(a)混合相速度 (b)DPM颗粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM颗粒相速度图5 1.0mm/0.5mm喷嘴内部流体速度和DPM相速度曲线

图2～图5分别为不同入水口/出水口尺寸模型内轴线处颗粒相的速度和DPM相速度的曲线。从这些曲线图可以看出，进水口与出水口尺寸比越大，出口处混合相速度越大，DPM相速度也越大。其原因是：纯水射流入水口和砂管出水口单位时间内流量相同，截面越小，速度就越大。

从不同的混合相速度曲线图可以看出，流体在混合室内有一个减速过程，射流进入收缩段后速度瞬间上升，在进入砂管后开始减速，其原因是：砂管内壁对射流流动存在一定的摩擦力，随着砂管长度增加，沿程能量损失越多，因而速度不断减小。

从图上还可以看出DPM相处于一个不断加速的过程，其原因是：开始阶段磨料颗粒速度很小，DPM相与流体相速度存在一个速度差，液相速度在大于DPM相之前一直保持对其的加速作用，因此DPM相速度呈增大趋势。根据仿真结果呈现的规律，适当提高入水口和出水口的尺寸比有利于增加磨料的速度，提高磨料水射流的切割能力。

图6为不同进水/出水口尺寸比例下的喷嘴轴线上磨料颗粒的浓度曲线。从仿真结果可以看出同样的进口压力参数下，进水口和出水口尺寸比例越大，喷嘴轴线上磨料颗粒浓度越大，说明这种参数下的喷嘴对磨料的集束性越强；轴线上磨料颗粒的多少决定了切割能力的大小，因此增大喷嘴进水口/出水口比例有利于提高射流的冲击能力。

图6 不同模型喷嘴内轴线上磨料的浓度

2.2 磨料入口角度对喷嘴流场的影响

选择高压水入口尺寸为1.0mm，混合相出口为0.5mm的进出口比例的喷嘴，分别设定磨料入口角度为45°、60°、90°，建立喷嘴三维模型，进行网格划分并进行仿真分析。分析磨料入口的角度对喷嘴轴线上混合相速度、磨料颗粒速度以及磨料浓度的影响。图7分别为不同角度的磨料入口模型下磨料颗粒的速度矢量图和磨料颗粒轨迹。

(a)混合相速度 (b)DPM颗粒相速度

(a)混合相速度 (b)DPM颗粒相速度

(a)混合相速度

(b)DPM颗粒相速度图9 90°磨料入口喷嘴模型内轴线上混合相速度和DPM相速度曲线

不同的磨料入射角度决定了磨料颗粒进入混合室的位置，也决定了颗粒相进入流体的位置。从图9可以看出，不同的磨料入口喷嘴模型内流体速度变化不大，表明颗粒相对流体速度的影响很小。但颗粒相的加速距离受到磨料入射度影响。图7中，磨料进口为45°时，颗粒相开始加速的位置靠近混合室底端，此时射流速度相对较小，对颗粒相加速偏弱；角度为90°，颗粒相进入射流的位置越靠近混合室顶端，如图9所示，射流速度大，但加剧了磨料颗粒在混合室内的碰撞；图8所示为磨料入射角为60°，此时磨料颗粒在混合室中部进入射流，轨迹相对规则，此时速度最大。

(a)45°磨料入口喷嘴内轴线上磨料颗粒浓度

(b)60°磨料入口喷嘴内轴线上磨料颗粒浓度

(c)90°磨料入口喷嘴内轴线上磨料颗粒浓度

从图10不同磨料入口角度喷嘴轴线上磨料颗粒浓度曲线可以发现，图10c中90°磨料入射角在混合室轴线上磨料浓度较小，其原因是90°入射的磨料颗粒在混合室内轨迹混乱，与混合室内壁碰撞剧烈，因此在混合室轴线上浓度较小；图10b与图10a相比，图10b混合室轴线上磨料浓度高，其原因是：颗粒进入射流集束性好，沿着射流轴线方向运动的粒子数量多。射流轴线上速度可以反映喷嘴内固相颗粒的速度，颗粒相速度越大，水射流切割性能越好，因此选用60°磨料入射角有利于提高射流的冲击性能。

图11 优化前、后喷嘴试验冲孔比较

图11为优化前喷嘴和优化后喷嘴冲蚀试验图。在相同压力条件及相同冲蚀时间条件下，对优化后的喷嘴及优化前喷嘴进行冲蚀试验，优化后喷嘴冲深为0.18mm，较优化前喷嘴冲深0.12mm增大。

3 结论

(1) 射流的进出口比例严重影响着射流速度，进口与出口尺寸比例越大，射流的速度及颗粒相速度越大，轴线上颗粒相浓度越大，射流切割能力越大；

(2) 随着磨料进口角度增大，磨料颗粒加速开始位置增高，并且在60°时射流速度最大，轴线上颗粒相浓度也最大，射流切割能力最佳。

[1] 康磊. 高压磨料水射流喷嘴几何形状与性能研究[D]. 秦皇岛:燕山大学,2015.

[2] 吴海，刘波，王国涛. 磨料水射流切割技术分析及研究[J]. 机械管理开发，2010(4): 9-10.

[3] Baisheng N，Hui W，Lei L，et al. Numerical investigation of the flow field inside and outside high-pressure abrasive waterjet nozzle[J]. Procedia Engineering，2011，26: 48-55.

[4] Babets K E. Numerical Study of the Turbulent Flow Inside a Pure Water Jet [C].Proc U S Water Jet Conference, 2001(11):19-22.

[5] Liu H, Wang J, Kelson N, et al. A study of abrasive waterjet characteristics by CFD simulation[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 153: 488-493.

[6] 贾月梅，赵秋霞，赵广慧. 流体力学[M]. 北京:国防工业出版社，2006.

[7] 刘力红,刘本立,刘萍,等. 前混合磨料射流基础研究概要[J]. 机械科学与技术,2011,30(3):457-462.

[8] 周大鹏. 磨料射流精密切割质量控制与补偿的研究[D].徐州:中国矿业大学，2013.

[9] 康磊. 高压磨料水射流喷嘴几何形状与性能研究[D]. 秦皇岛:燕山大学，2015.

[10] Aich U，Banerjee S，Bandyopadhyay A，et al. Abrasive water jet cutting of borosilicate glass[J].Procedia Materials Science，2014(6):775-785.

(编辑 李秀敏)

Abrasive Waterjet Nozzle Structural Design and Optimization

DING Xiang-qing

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi Jiangsu 214028, China)

the nozzle is the executive part of abrasive water jet machine tool, the quality of its structure parameters directly affect the machining quality and efficiency, this paper starts from the main parameters of the nozzle design several different structure of nozzle, and the establishment of their own physical model, respectively, and then the structure of the nozzle flow field analysis, find the best nozzle structure. The research shows that: the greater the import and export ratio, the greater the speed of the jet exit, the larger the particle phase velocity, the abrasive inlet angle has a certain influence on the velocity of the abrasive particles.

abrasive waterjet ; nozzle ; flow field ; abrasive particles

1001-2265(2016)11-0115-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.031

2016-06-03；

2016-07-07

全国教育信息技术研究课题(166242983)；江苏省现代教育技术研究课题(2016-R-47905)

丁祥青(1983—)，男，江苏淮安人，江苏联合职业技术学院无锡机电分院教师，工程硕士，研究方向为机械设计与制造，(E-mail)dxiangqing@126.com。

TH122;TG65

A