基于FLUENT对气动喷砂喷嘴的设计与仿真

武宾宾 黄家永 王莹

摘  要：针对气动喷砂喷嘴砂料发散不均和清理效率不高的问题，基于气固两相流颗粒运动理论，应用Fluent软件对扁形喷嘴进行了仿真，对比分析了方型喷嘴和圆形喷嘴的粒子轨迹和对壁面的冲蚀。分析结果表明：扁形喷嘴由于其内部两端没有收缩角，喷射出的砂料會形成一个长方带区域，在该区域的中轴线上，砂料的密集度和速度最大，越远离该中轴线，其密集度和速度逐渐降低。而方型喷嘴和圆形喷嘴的最大密集度和力度都集中在喷嘴正对着的圆形和方形区域上。

关键词：Fluent;喷砂;喷嘴;仿真

中图分类号：TG580.692+4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）22-0081-03

Abstract： Aiming at the problem of uneven sand divergence and low cleaning efficiency of pneumatic sandblasting nozzle， based on the particle motion theory of gas-solid two-phase flow， the flat nozzle is simulated by Fluent software， and the particle trajectory and wall erosion of square nozzle and circular nozzle are compared and analyzed. The analysis results show that the flat nozzle has a long square band due to the lack of shrinkage angle at its inner ends. On the central axis of the area， the density and speed of the sand are the largest， and the farther away from the central axis. Its concentration and speed are gradually decreasing. The maximum concentration and strength of the square and circular nozzles are concentrated on the circular and square areas directly opposite the nozzle.

Keywords： Fluent; sandblasting; nozzle; simulation

引言

喷嘴作为喷砂机砂料加速的重要元件，直接影响了喷砂作业的工作效率。目前，大多数研究是提高喷嘴的工作效率的研究，即提高砂料喷射速度的研究。

文献[1]使用 Fluent软件对不同收缩角喷嘴进行了模拟仿真。文献[2]通过对喷嘴的收缩段不同截面弧形建立气体流动的数学模型，然后通过有限元软件分析计算。文献[3]利用 FLUENT 软件对喷嘴的收缩段、喉部及扩散段的参数进行了对比分析。文献[4]利用Fluent有限元分析软件研究了不同类型的喷嘴内外流场特性，获得了流场压力和速度的分布规律。

目前常用的喷嘴有直筒型、文丘里型、方型喷嘴等不同类型的喷嘴对流体特性都会产生较大的影响，这一必然会影响清理效率和基体表面的力学性能。在相同前提下，本文提出了一种新型扁形喷嘴，并借助FLUENT进行仿真。

1 砂料轨迹与碰撞的理论描述

1.1 连续性方程

根据质量守恒定律，流场中任意形状的一个控制体中流体质量对时间的变化率与流经该控制体表面的净质量流量在数值上完全相等。

1.2 颗粒轨道模型

Fluent中的离散相模型欧拉-拉格朗日方法，该方法把流体相看做是连续相，从而可以直接纳维-斯托克斯方程求解，而离散相则是通过计算流场中大量的粒子或液滴在连续相的作用下的运动得到的。基于欧拉-拉格朗日框架也就意味着离散相颗粒相对比较少，颗粒与颗粒之间的作用力以及颗粒对连续相的反作用力也就忽略不计，在Fluent离散相轨道追踪中，要求离散相的体积分数要小于10～12%，这样也就可以忽略颗粒之间的相互作用[5]。

2 创建几何模型与网格划分

本扁形喷嘴的内部构造收缩段、喉段和扩张段三段。其详细尺寸见图1新型扁形喷嘴。

运用mesh进行网格划分，采用结构化法，尺寸函数选择Proximity and Curvature，相关性中心选择fine，尺寸大小（Sizing）设置入射口单元尺（Element size）寸设置为1mm。网格划分如图2所示，其中单元数为870311，节点数为800509。

3 求解过程

3.1 模型的选择

本文连续相为空气，设置空气为理想气体，开启能量方程。

选择标准的k-ε模型，其余默认。

开启离散相模型，激活离散相与连续相的相互作用按钮，激活磨蚀/堆积选项。设置离散相材料为钢丸，设置初射速度为25m/s，设置平均颗粒大小为0.5mm，其余默认。

3.2 边界条件设置

入口边界条件：选择Pressure-inlet，设置压力为500KPa，湍流强度设置为10%，湍流粘度比为1500，进口总温为300K。

出口边界条件：选择Pressure-outlet，设置压力大小为0KPa，湍流强度设置为10%，湍流粘度比设置为1500。

对称面边界条件：选择symmetry。