超高壓多相射流的流動(dòng)特性及切割性能分析.pdf

1、當(dāng)前，超高壓水切割技術(shù)在工程中正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，水切割中的許多現(xiàn)象還未得到完徹的理解，尤其對(duì)超高壓射流流動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)膚淺。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)400MPa范圍內(nèi)的超高壓氣液射流和磨料水射流(AWJ)的流動(dòng)特性及切割性能展開(kāi)了多方面的研究。進(jìn)行的開(kāi)創(chuàng)性研究工作和取得的主要成果如下：
　　 1．對(duì)超高壓寶石噴嘴內(nèi)外的氣液射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，揭示了外部射流擴(kuò)散機(jī)理，認(rèn)為湍動(dòng)能可作為判斷射流擴(kuò)散程度的依據(jù)。關(guān)注了

2、寶石座出口端面和出口流道對(duì)射流結(jié)構(gòu)的影響，針對(duì)出口結(jié)構(gòu)提出了多種新方案，對(duì)各設(shè)計(jì)方案條件下的射流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。
　　 2．對(duì)超高壓條件下寶石孔內(nèi)的空化現(xiàn)象展開(kāi)研究，應(yīng)用空化模型對(duì)空化發(fā)生后的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)寶石孔內(nèi)的空化影響到射流半徑，寶石孔結(jié)構(gòu)參數(shù)影響到空化的發(fā)展程度。系統(tǒng)地總結(jié)了寶石噴嘴內(nèi)外的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流體分布情況。
　　 3．運(yùn)用歐拉——拉格朗日方法對(duì)超高壓AWJ切割頭內(nèi)部的多相流動(dòng)、磨料運(yùn)動(dòng)、內(nèi)壁的磨

3、損情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)了磨料物理性質(zhì)與顆粒對(duì)射流作用響應(yīng)程度之間的關(guān)系等重要規(guī)律。
　　 4．針對(duì)超高壓射流設(shè)計(jì)了一種安全有效的可視化實(shí)驗(yàn)方案，觀測(cè)了不同寶石噴嘴外部諸因素影響下的射流形態(tài)，測(cè)量了射流的打擊力，鑒定了寶石噴嘴的優(yōu)化方案。對(duì)寶石噴嘴及AWJ切割頭進(jìn)行了磨損實(shí)驗(yàn)，分析了切割頭部件的磨損特性及內(nèi)流對(duì)磨損的影響。發(fā)現(xiàn)了錐形或環(huán)形的出口端面、錐形漸擴(kuò)的出口流道有助于增強(qiáng)射流的集束性；射流的擴(kuò)散趨勢(shì)與能量衰減趨勢(shì)具有一致性:6

4、0°的出口流道錐角性能十分理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分驗(yàn)證了數(shù)值研究的結(jié)論。
　　 本文對(duì)水切割中的射流流動(dòng)和切割頭性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。研究成果為理解超高壓水切割射流噴射過(guò)程中的復(fù)雜多相流動(dòng)提供了重要依據(jù)，在指導(dǎo)切割頭部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、減小磨損、提高切割效率方面發(fā)揮了直接有效的作用。所設(shè)計(jì)的寶石噴嘴使射流集束性得到大幅提高，從而在工程應(yīng)用中部分改善了水切割的一項(xiàng)主要缺陷。本文也為對(duì)超高壓水射流切割頭內(nèi)外流動(dòng)進(jìn)行直觀研究提供了較理想的可視化