基于CFD的淹没磨料射流的数值模拟与流动特性研究

　　磨料射流由于其良好的切割特性越来越受到人们的重视,其研究领域也不断拓展[1,2]。淹没磨料射流属于湍流两相流的范畴,在分析比较了目前常用的湍流模型和两相流模型各自的优缺点及适用范围的基础上,本文选用商用CFD软件PHOENICS3.3。同时根据两相流的湍流(互动)性质,进行了双流体模型及不同的湍流模型的对比计算,对本实验装置的淹没磨料射流的数值模拟进行了初步的探讨,试图通过分析两相流体在淹没状态下速度与压力的分布规律,从理论上来探寻淹没磨料射流冲蚀效果与上述参数之间的关系,并分析影响磨料射流在水下最佳冲蚀效果的因素,为进一步的实验提供理论依据和实际的预报作用。

　　1　模型及网格

　　1.1　物理模型简介

　　实验台由高压泵、后混合磨料系统、水下环境模拟系统、管路系统和喷嘴等组成。结合Vijay等[3]建立的人工淹没射流理论和文献[4]研究验证淹没水深存在的极限值,模拟水深根根据一定深度液面的压力是自由液面压力与水深产生的压力之和的原理,利用增压设备增加自由面的压力,来实现水深模拟,如自由面增加1个大气压,就相当于喷嘴出口液面的水深增加了10 m,从而可以在实验室条件下实现不同水深的水下环境的模拟。至于后混合射流系统的回水问题,则通过引流和管路加气平衡来解决^[5] 。

　　实验结果发现,单从冲蚀效果上来讲,淹没磨料射流远比空化射流要好得多,这就意味着磨料的冲蚀作用要大于空泡的溃灭作用,从这一点上来讲,计算可以适当简化,即忽略空泡的影响,而通过建立实验系统的液固两相数学模型来进行淹没磨料射流两相流场的分析,研究探讨液固两相流体在水下的速度与压力的分布规律。

　　图1和图2中1号喷嘴(磨料喷嘴直径为3 mm、长度为10 mm、水喷嘴直径为1 mm)的淹没磨料射流与空化射流的冲蚀效果随相对靶距与模拟水深的变化关系,实验工况如下:

　　实验工况1见图1,射流压力为10 MPa、模拟水深为10 m、磨料质量流量为9 g/s、水流量为6.28 L/min。实验工况2见图2,射流压力为10MPa、相对靶距为2、磨料质量流量为9 g/s、水流量为6.28 L/min。

　　1.2　数学模型与网格

　　根据以上物理模型的分析,我们提出了数学计算模型,将计算域取在喷嘴出口以下的区域,数值模拟的模型可按喷嘴出口以下轴截面的一半建立,系统模拟二维平面轴对称不可压淹没磨料射流的冲击流场,并采用时间相关法来处理定常问题,它的基本思想是把一个定常问题看成是当时间很大时的某种非定常问题的渐进解。Y向(即径向r)与Z向区域面积为0.75×0.75 m2,网格分别划分为105×100,采用正交能量网格,径向r的网格划分为两个区域,即喷嘴半径(1.5 mm)与喷嘴半径以外的区域,在喷嘴半径区域内,打了5个网格,喷嘴半径以外的区域打了100个网格,从而使靠近喷嘴处网格加密,见图3,图中,1为计算域的进口(Inlet),即喷嘴的出口。