VirtualFlow | 磨料水射流仿真及磨损预测

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磨料水射流是在高压水射流中加入一定数量、具有一定质量及硬度的磨料颗粒而形成的液固两相射流。20世纪90年代开始，磨料水射流切割凭借冷态切割、切割质量良好等优势迅速发展，在工业领域、海洋工程、航空航天等领域有着广泛应用。

工业领域，例如在煤炭等矿物开采过程中，许多金属需要在矿井下进行切割，传统切割方式容易产生高温及火花而引起瓦斯爆炸，而磨料水射流切割过程无高温和明火，可以有效避免瓦斯爆炸发生。

磨料水射流技术在深海环境下沉船表面切割、海洋资源勘察及海上石油钻井平台等领域也有广泛应用。2000年8月12日，俄罗斯核潜艇“库尔斯克号”在巴伦支海沉没，艇上118名官兵全部遇难，在后续核潜艇救助打捞过程中，曾采用磨料水射流切割技术在潜艇顶部舱壁上开孔，为后续起重打捞工作奠定基础。

图1 “库尔斯克号”核潜艇及磨料水射流切孔过程

相比纯水射流切割，磨料水射流的切割能力更强、相同条件下切割效率更高，但磨料水射流切割造成的设备磨损也更加严重。掌握磨料水射流切割头出口处的射流特性、了解颗粒速度及整个磨料射流的能量分布非常重要。

高速水射流与夹带的空气、磨料颗粒之间存在相互作用，磨料水射流喷嘴内部流动较为复杂。本案例采用通用流体仿真软件VirtualFlow，对磨料水射流的孔口气蚀过程与切割头磨损过程进行计算模拟，并且将计算结果与实验数据进行对比。

磨料水射流模拟方法

磨料水射流切割头部示意图如下所示，水喷射产生低压，磨料通过入口C进入混合室后与水射流、空气进行混合，混合、加速后高速三相混合物以每秒几百米的速度喷出。

图2 磨料水射流切割头示意图

1	切割头内部的三相流模型基于相平均法的可压缩多相混合物模型对空气-水两相流进行模化；
2	高压水流过尖孔会发生空化现象而产生蒸汽，并在高流速下产生液压翻转，这种现象对磨料水射流切割研究非常重要，它能通过聚焦高速水射流来提高切割精度。使用空化模型来模拟空气、水和磨料混合相产生蒸汽的现象；
3	采用拉格朗日颗粒追踪方法得到磨料颗粒的运动以及与两相流体的相互作用；
4	CFD仿真结果记录磨料与切割头部壁面的所有碰撞，包括入射速度矢量和碰撞位置信息，将该结果与腐蚀模型相结合可以估算出腐蚀速率。

孔口气蚀

孔口处气蚀蒸汽的产生会导致孔口发生液压翻转，从而形成稳定的高速射流。尽管气相的影响明显低于水，但夹带到切割头中的蒸气及空气的量会影响喷嘴性能。

基于Nurick对尖锐和圆形孔口气穴现象的实验[1]，对 VirtualFlow软件空化模型得到的高速液体流过尖孔的仿真结果进行验证。

用于仿真的几何结构如图3，由于节流孔处流动面积的突然变化，高压水进入后发生气蚀。

图3 Nurick（1976）的尖孔实验示意图

流体特性如下：

水温300K，水密度1000 kg/m3，蒸汽密度0.02558 kg/m3，饱和压力3540 Pa，表面张力0.0717 N/m。

高压入口（1000bar、2500bar）的水流速度云图如图4所示，其中黑线显示了气液界面（体积分数=0.5）。从模拟结果可以看出，在高压比的模拟中获得了稳定的水流。

图4 空化模型模拟尖锐孔口处的液压翻转

预测的排放系数如图5所示，与Nurick等的实验结果进行比较，可以看出添加空化模型的仿真结果与实验吻合很好。未添加空化模型时，排放系数保持恒定，低空化数时与试验结果相差较大。

图5 VirtualFlow仿真结果与Nurick实验数据比较

切割头磨损预测

从Balz等[2]的实验数据中选择两组实验条件（实验3、实验4）进行模拟，颗粒直径范围为70-200um，通过切割头一侧的倾斜入口进入。主要关注出口颗粒速度，并用仿真结果预测切割头中最易磨损的位置。

两组实验条件：

图6显示了切割头内部流动情况及靠近喷嘴处的情况。为方便观察，仿真结果显示的颗粒大于实际大小。蓝色界面处的体积分数为0.5，而界面与工件壁面间存在气含率较高的混合流，因此图像上的液体流动与工件壁面并没有分离（只是视觉效果）。

图6 切割头内部流动情况及靠近聚焦管出口的情况

对于实验3，仿真得到的小颗粒（70-150um）的速度在200-450m/s之间，大颗粒（150-200um）的速度在200-370m/s之间。对于实验4，仿真得到的小颗粒（70-150um）的速度在125-350m/s之间，而大颗粒（150-200um）的速度在200-300m/s之间。仿真得到的较大颗粒的速度似乎更接近实验测量值。

不同尺度的颗粒在出口速度上也表现出很大变化，主要是由于与水射流的相互作用的时间和位置不同。仿真结果还发现实验中测得的颗粒速度分布不仅是由于颗粒粒径不同，还与颗粒在聚焦管中所经过的路径有关（如图7所示）。

实验3

实验4

图7 颗粒出口速度模拟结果

基于VirtualFlow软件模拟得到的碰撞数据，结合DNV腐蚀模型得到实验3及实验4对应的磨料水射流切割头腐蚀方式，如图8。

混合锥颗粒入口

喷嘴

图8 磨料水射流切割头内部及喷嘴磨损预测

可以看出，对于颗粒从左侧进入的情况，混合锥的右侧磨损更严重。另外，喷嘴也受到了强烈磨损。

在可压缩条件下模拟空气、水和颗粒的三相流动，对于改善磨料水射流切割头的设计、提高切割精度及减少磨损都非常有用。VirtualFlow可用于仿真磨料水射流切割头内部流动问题，包括孔口液压翻转、磨料相互作用及加速磨损。

【参考文献】

[1] Nurick, W. H. (1976). Orifice cavitation and its effect on spray mixing. Journal of Fluids Engineering, 681-687.

[2] Balz, R., Mokso, R., Narayanan, C., Weiss, D. A., & Heiniger, K. C. (2013). Ultra-fast X-ray particle velocimetry measurements within an abrasive water jet. Experiments in fluids, 54(3), 1-13.

来源：多相流在线