VirtualFlow | 磨料水射流仿真及磨损预测

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   

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

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

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。

   

   

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

     

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