非淹没式精密微磨料水射流流场仿真及实验验证

论文摘要

目前对高压磨料水射流的研究较多,而对非淹没式微磨料水射流的研究则较少。本文采用计算流体力学仿真软件FLUENT计算分析流场状态,有利于对其进行结构改进,为微磨料水射流的加工提供理论依据。本文主要研究了纯水射流和微磨料水射流两种情况下喷嘴内外流场分布状态。对水喷嘴内部进行了稳态仿真,并采用体积流量进行了验证。对混合室和混合管内部进行了气、液、固三相瞬态仿真。通过观察连续相的流场分布状态,发现在混合室高速水柱两侧气液界面处存在漩涡。锥段末端处存在大量低速水,这可能是造成射流容易中断的主要原因。对锥段处的结构进行了改进,增大收敛角、减小锥段长度,在该条件下的仿真结果表明,锥段处水的速度明显提高,积水现象得以改善。同时发现在磨料加入的瞬间,大部分磨料被漩涡聚集到混合室中磨料入口左侧附近区域,而且由于高速水柱的阻挡,磨料很难越过水柱到达对面,混合室中磨料入口对面区域几乎没有磨料。随着射流时间的延长,磨料与连续相的混合效果越来越好。通过读取逃逸时间可计算出比较合理的供料周期。对外流场进行了仿真,并利用压电晶体测力仪对其速度场进行了实验验证,结果表明,仿真结果与实验结果较吻合,其误差大约为13%,证明了仿真方法的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 论文中主要符号及意义
• 第1章 绪论
• 1.1 磨料水射流加工技术的研究现状
• 1.1.1 磨料水射流加工技术的概述
• 1.1.2 磨料水射流设备的研究现状
• 1.1.3 磨料水射流加工机理的研究现状
• 1.1.4 磨料水射流加工工艺的研究现状
• 1.2 微磨料水射流加工技术的研究现状
• 1.3 应用计算流体力学进行水射流仿真的研究现状
• 1.4 本课题研究的目的、意义及主要内容
• 第2章 计算流体力学原理与应用
• 2.1 流体基本知识
• 2.1.1 层流与湍流
• 2.1.2 定常与非定常流动
• 2.2 计算流体力学基础知识与 FLUENT仿真软件
• 2.2.1 CFD求解过程
• 2.2.2 FLUENT介绍
• 2.3 本章小结
• 第3章 低压纯水射流流场仿真
• 3.1 水喷嘴内部流场仿真及实验验证
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 FLUENT仿真
• 3.1.3 实验验证
• 3.2 混合室与混合管内流场瞬态仿真
• 3.2.1 几何建模与参数设置
• 3.2.2 仿真结果及分析
• 3.3 收敛角对流场分布状态的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 低压微磨料水射流流场仿真
• 4.1 磨料速度的确定
• 4.2 仿真模型与工艺参数的选择
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 7.800e-03s时刻的流场状态
• 4.3.2 1.0200e-02s时刻的流场状态
• 4.4 本章小结
• 第5章 外流场仿真及实验验证
• 5.1 外流场仿真
• 5.1.1 纯水射流外流场仿真
• 5.1.2 微磨料水射流外流场仿真
• 5.2 实验验证
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验步骤
• 5.2.4 实验数据处理
• 5.2.5 仿真与实验结果比较
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表