超高壓多相射流的流動特性及切割性能分析.pdf

1、當前，超高壓水切割技術在工程中正得到越來越廣泛的應用。然而，水切割中的許多現象還未得到完徹的理解，尤其對超高壓射流流動特性的認識還相當膚淺。本文通過實驗和數值計算對400MPa范圍內的超高壓氣液射流和磨料水射流(AWJ)的流動特性及切割性能展開了多方面的研究。進行的開創(chuàng)性研究工作和取得的主要成果如下：
　　 1．對超高壓寶石噴嘴內外的氣液射流流場進行數值計算，揭示了外部射流擴散機理，認為湍動能可作為判斷射流擴散程度的依據。關注了

2、寶石座出口端面和出口流道對射流結構的影響，針對出口結構提出了多種新方案，對各設計方案條件下的射流流場進行了模擬。
　　 2．對超高壓條件下寶石孔內的空化現象展開研究，應用空化模型對空化發(fā)生后的兩相流動進行數值計算，發(fā)現寶石孔內的空化影響到射流半徑，寶石孔結構參數影響到空化的發(fā)展程度。系統地總結了寶石噴嘴內外的流動結構和流體分布情況。
　　 3．運用歐拉——拉格朗日方法對超高壓AWJ切割頭內部的多相流動、磨料運動、內壁的磨

3、損情況進行模擬，發(fā)現了磨料物理性質與顆粒對射流作用響應程度之間的關系等重要規(guī)律。
　　 4．針對超高壓射流設計了一種安全有效的可視化實驗方案，觀測了不同寶石噴嘴外部諸因素影響下的射流形態(tài)，測量了射流的打擊力，鑒定了寶石噴嘴的優(yōu)化方案。對寶石噴嘴及AWJ切割頭進行了磨損實驗，分析了切割頭部件的磨損特性及內流對磨損的影響。發(fā)現了錐形或環(huán)形的出口端面、錐形漸擴的出口流道有助于增強射流的集束性；射流的擴散趨勢與能量衰減趨勢具有一致性:6

4、0°的出口流道錐角性能十分理想。實驗結果部分驗證了數值研究的結論。
　　 本文對水切割中的射流流動和切割頭性能進行了詳細的分析。研究成果為理解超高壓水切割射流噴射過程中的復雜多相流動提供了重要依據，在指導切割頭部件的優(yōu)化設計、減小磨損、提高切割效率方面發(fā)揮了直接有效的作用。所設計的寶石噴嘴使射流集束性得到大幅提高，從而在工程應用中部分改善了水切割的一項主要缺陷。本文也為對超高壓水射流切割頭內外流動進行直觀研究提供了較理想的可視化