空化水射流喷丸工艺模拟验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术，该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况，对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用 FLUNET6.3 流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析，获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律，同时使用 Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象，空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达 300 M Pa 以上。

0前言

空化水喷丸技术是一项新型表面强化处理技术，它依靠自身的技术特点和优势，在金属表面改性技术领域中引起许多学者的广泛关注。其工作原理是合理利用淹没式高速高压水射流空化后形成的大量微小空泡群，空泡群在固体边界附近溃灭时可产生高达上 GPa的冲击波压力，利用该压力来强化金属材料。目前的研究结果已经证明了该技术和其他喷丸技术一样能在金属零部件的近表形成压缩残余应力层，同时改善微观组织结构，进而提高零部件的疲劳寿命。但是该工艺中的空化行为涉及高速、高压、多相、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况，因此对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的研究热点。易灿等19设计研制了围压下自振喷嘴,通过试验研究表明该喷嘴的最大起始空化数可以达到1.67,而普通锥形喷嘴最大值仅为0.54,李疆等用数值模拟的方法计算出空泡在近固壁面附近溃灭时产生的微射流的速度可达到v=200 m/s,并利用水锤方程求解微射流在壁面所产生的压力高达到300 MPa,邓松圣等应用K-6湍流模型并采用SIMPLEC算法对角型喷嘴的空化流场进行了数值模拟,并验证了模拟结果的正确性。卢义玉等用Standard K-e, RNGK-e和Standard K-c湍流模型对缩放型喷嘴内部流场进行了数值模拟,结果表明RNGK-w模型最适合对缩放型喷嘴内部流场的数值模拟。SAHAYA等通过对铝合金冲蚀试验,发现了在油空化射流冲击区域中,由于空泡溃灭产生的微射流,作用在材料表面产生冲击压力,超过了材料的屈服强度,可在材料表面产生冲蚀影响。QIN等基于RayleighPlesset气泡动力学方程建立缩放型喷嘴的内流场的动力学模型,并采用变时间步长求解高非线性二阶差分方程,获得精确的空化泡生长、溃灭和回弹等结果。董星等模拟了不同压力作用下水射流在2A11铝合金材料表层产生的残余应力场,选取射流的喷丸压力为60~120 MPa,到目前为止,关于空化水喷丸工艺中空化行为的相关研究结果还鲜有报道。本文拟采用FLUNET6.3流体计算软件,利用RNG Ke模型和SIMPLEC算法对空化水喷丸工艺中的空化行为进行数值模拟,同时利用富士压敏纸对空化水喷丸工艺中冲击波压力大小和分布进行试验验证。

1数学模型

1.1 物理模型和网格划分

在空化水喷丸工艺中常温水通过高压柱塞泵加压后,再通过放缩型喷嘴射入充满水的容器中形成淹没式高压水射流,在射流方向上产生剧烈的空化现象,靠微空泡群在金属材料表面溃灭时产生的冲击波压力来强化材料的表面,其简化后的物理模型如图1所示,主要包括高压水入口、缩放型喷嘴、常压出口和充满水的空化工作四部分构成。
为缩短计算时间,缩小了模拟空化容器的体积,其尺寸为中60 mmx60 mm。设定空化射流的工作区域和喷嘴的形状成轴对称,因此只需要取1/2的物理模型体积进行离散化。如图2所示,在喷嘴的收缩段、扩散段以及喷嘴出口段进行网格局部细化。
经初步计算分析,物理模型划分为25 804个四边形网格，采用二阶迎风格式对控制方程进行离散。

1.2边界条件

参照空化水喷丸工艺中常用的工艺参数和实际工况环境,对模型进行了相应简化,并施加如下边界条件。
(1)入口边界条件为压h入口, p1=32 MPa,入口直径d=6mm。
(2)出口边界条件设为压力出口, p2=1.013×10五次方 Pa,出口直径d2=2 mm
(3)轴线上边界条件取径向速度v=0;固体壁面条件,壁面上满足无滑移条件,采用壁面函数法对近壁区处理。
(4)水流温度恒定,室温取300 K.

2 模拟结果

数值模拟中采用湍流模型k-e中的RNG模型处理粘度项, SIMPLEC算法对压力速度进行耦合,选择合适的松弛因子后,进行数值模拟。
模拟后的流场中沿x轴线方向上的静压分布如图3所示,在喷嘴的喉部(x-0.020~-0.012 m区间内)有明显的压降,最大压降约-20 MPa,随后压力又恢复到喷嘴出口处的压值1.013×10五次方 Pa。如果存在微小空泡核沿着喷嘴流动,它必然会经历喷嘴处的压力变化,导致空化泡的产生和溃灭。

图4是非空化射流(未考虑空化现象)和空化射流的速度场的对照图。从图4可以看出,二者的速度场分布规律基本相同,后者在数值上略大于前者,在分布上略广与前者。两种模拟结果的流场速度分布在喷嘴缩放段速度梯度较大,并且速度变化明显;
在离开喷嘴出口之后,流体出现一个等速流核区,并且在垂直于轴向方向存在明显的速度梯度变化;在等速流核区末尾,流体速度迅速降低。

由图5中可以明显看出,在淹没式非空化条件下,水射流的速度衰减得很快。这就意味着如果在水喷丸工艺中使用传统的水射流喷丸工艺,周围的水环境不仅会造成水射流的速度严重衰减,还会影响射流的有效距离范围,进而降低水喷丸能力和水射流的效率。但在空化条件下,空化射流的速度相心区比水射流长;另外,由图5中还可以观察到,在坐标0点以后沿x轴线方向,在相同坐标位置空化射流所对应的速度值都明显大于非空化射流的速度值。

由图6中可以看出,在喷嘴扩张段处明显发生了空化现象,这与空化通常发生在稳定空泡的下游相吻合,因为水流从入口的收缩段到喷嘴中间位置,流速逐渐加大,导致压力骤减,进入喷嘴扩张段后,流速突然降低,在扩张段壁面附近由于突然扩张而产生一个低压区,空泡得以滞留。但由于突然产生的漩涡,导致流体流动的连续性被破坏,空泡的体积浓度急剧增大,在扩张段壁面附近的最高汽含率达到0.99。

3试验研究

3.1试验装置

试验研究中使用的空化水喷丸装置主体结构如图7所示,主要包括蓄水罐、高压泵、气泵、豌量计、喷嘴、工作水槽、夹具等部分。蓄水罐中的水通过高压泵(最高压力为32 MPa,常用流量为16 L/min)进行加压后通过喷嘴射入工作水槽(水槽内水为常温常压状态)中,形成垂直淹没式空化射流。该工艺的主要工艺参数包括工作压力、通气量、喷嘴直径、喷射距离、喷丸时间等。

3.2 冲击压测定试验方法

为了测定空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上由于空泡溃灭产生的冲击波压力分布规律,本研究使用Fuijfilm超高压压敏纸(量程: 130~300 MPa),并选用与数值模拟时相同的工艺条件和试验环境进行试验测定。压敏纸由聚酯纤维材料基底层、成色层和含显色材料的微胶囊层复合而成。
当冲击压力p作用在压敏纸上时,造色层中微胶囊发生破裂,成色层吸收微胶囊中的显色物质并发生反应而形成浓度不均的红色斑点,利用FPD-30SE颜色指示器(专用浓度计)和FPS-307E软件(专用压力换算软件)可以将压敏纸的变色浓度转化为相应的压力值。测定方法如图8所示,将感压纸密封粘结在专用夹具上,然后竖直置于空化射流工作区域中心做t=5s的感压处理。

在空化水喷丸工艺中工作压力、喷嘴直径、流量等工艺参数通常保持恒定,通气量、喷丸时间、喷射距离是可调的工艺参数,而通气量是影响空化射流方向上冲击波压力大小的关键参数,因此试验中对不同通气量(0 L/min,0.2 L/min,0.4 L/min0.6L/min, 0.8 Lmin, 1.0 L/min)条件下的冲击压力分布进行测定。

3.3试验结果分析

感压后的压敏纸如图9a所示,当受到冲击压力的作用后,压敏纸上形成了一个火焰状浓度不均的红色区域,利用FPD-30SE专用浓度计对压敏纸的变色浓度进行读取、量化和记录,直接利用FPS-307E专用压力转换软件将对应的浓度值转化成相应的冲击压力值。图9b中显示了一个变色浓度的标准比色卡,最低浓度0.1对应130 MPa,最高浓度1.3对应300 MPa,从图9c也可以看出用高速摄像机拍摄的空化射流方向上的空泡云照片和感压后压敏纸的变色分布规律有着很好的一致性沿空化射流方向上,不同通气量条件下由于空泡溃灭产生的冲击波压力分布的测量结果如图10所示。当通气量由0L/min增加到0.4 L/min时,冲击压力的值也逐渐变大,工艺能力得到提高。当通气量继续增加到1.0 L/min时,冲击压力值逐渐变小,工艺能力下降。当通气量达到1.0L/min时的冲击压力值比0L/min时的值还要小,表明过多地通入空气会抑制空化现象的产生,反而降低该工艺的强化能力。当通气量为0.4 L/min时冲击压力的最大值达到了300 MPa,射流方向上距离喷嘴上方60-120 mm范围内的冲击波压力值较高,在250-300 MPа范围内。