水射流激光划片技术中的喷嘴优化设计

摘要

喷嘴是水射流激光划片技术当中的成形射流的终端执行元件，它直接影响着水射流的流场特性和动力性能。本论文通过流体仿真软件 FLUENT对四种不同结构的喷嘴进行了内部单项流和外部的两相流的数值模拟，探索其流场的特性对划片工艺的影响。最后通过比较各种喷嘴的流场参数，从中挑选出最优的喷嘴结构形状。 本论文主要设计了四种不同形状的喷嘴，它们分别是平直型喷嘴、锥型喷嘴、锥/圆柱型喷嘴、圆锥型喷嘴。喷嘴的参数确定只对其入口直径、出口直径、过度段长度、发散角的参数值做出了一定的设定。仿真结果得出：最优的喷嘴结构是圆锥型喷嘴，其次是锥/圆柱型喷嘴。 从喷嘴的结构参数入手，借鉴前人的研究成果的基础之上设计出四种喷嘴，对四种喷嘴进行各自的物理模型的建立，对它们的结构进行相同方式的离散化，建立了单项流模型，气-液多相流模型。在单相流的模型分析中得出有收敛角度的后三种喷嘴的速度和压力更有利于聚集到喷嘴出口处，然而前一种（平直型喷嘴）速度和压力都容易发散能量损耗较大。在多相流模型的研究中采用的是含有体积力计算式的VOF模型配合标准的壁面函数??湍流模型，最后通过PISO算法对喷嘴的外流场进行模拟分析。对结果的云图和的 xy-plot点线图进行分析可以得出：就压力值的变化而言，平直型喷嘴沿轴向的衰减相当大；锥/圆柱喷嘴沿轴向压力的衰减程度较前者小很多，锥型和圆锥型喷嘴压力沿轴向衰减程度最小。锥型喷嘴沿轴向所能够达到最大压力值为2.09MPa，圆锥型喷嘴的沿轴向所能达到的最大压力值为2.17MPa。从速度云图上得出平直型喷嘴的速度值同压力值一样衰减的很厉害，而其余的三者沿轴向分布的速度能够保持一个稳定的，最大的数值。最后本论文提取到射流与材料作用表面的速度值，通过这样的研究得出喷嘴的最优化结构，最终得出圆锥型喷嘴的流场特性对于水射流激光划片工艺是最有利的。 基于以上喷嘴结构不变的情况下，考虑到喷嘴的布局的不同对射流流场特性的改变影响着水射流激光划片工艺。对此本论文研究了喷嘴水射流与激光束的夹角为30°、45°、60?（即水射流的冲蚀角度）情况下在材料表面的流场分布特点。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及本文研究主要内容

第二章 计算流体力学基础

2.1 计算流体力学概述

2.2 流体基本方程

2.3 计算流体力学常用软件介绍

2.4 本章小结

第三章 水射流激光划片喷嘴的设计

3.1 喷嘴的基本设计准则

3.2 喷嘴性能评判标准

3.3 喷嘴的射流特性理论

3.4 喷嘴的结构设计

3.5 本章小结

第四章 喷嘴内流场的数值模拟

4.1 创建几何模型

4.2 网格划分

4.3 边界条件的设定

4.4 求解方法的设定及其控制

4.5 仿真结果分析

4.6 理论验证与实验对比

4.7 本章小结

第五章 喷嘴外流场的数值模拟

5.1 GAMBIT中的前处理

5.2 FLUENT求解设置

5.3 仿真结果分析

5.4 理论验证

5.5 本章小结

第六章 喷嘴布局变换下的流场特性研究

6.1 物理模型的建立

6.2 网格划分

6.3 边界条件的设置

6.4 仿真分析结果比较

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望未来

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果