空化泡及空化水射流的数值模拟

摘要

随着科学技术的发展和进步，空化水射流作为一种新兴而先进的表面处理技术，被广泛应用于清洗除锈、喷丸强化、生化环保和油气开采等工业领域，具有广阔的发展前景。空化水射流根据水力机械气蚀的原理，通过人为手段在水射流流束内产生许多汽化空泡，利用空泡溃灭时所产生的高压冲击来增强射流的作业效果。相对一般高压水射流，空化水射流可使喷嘴压力降低1～2个等级，而作用于受喷工件表面的压力可达到 GPa量级。通过数值模拟空化泡的溃灭过程和空化水射流喷嘴内部的流场，揭示空化水射流的机理并优化喷嘴结构参数。
　　本研究采用VOF方法模拟空化泡溃灭过程的基本特征，预测结果与试验结果具有很好的一致性。通过数值模拟研究空化泡与固壁的距离(γ)、空化泡大小和环境围压对单个空化泡溃灭的影响。结果表明：随着空化泡与壁面的间距减小，空化泡的非对称变形越来越明显，从形成射流到最终溃灭的时间不断增加，最大射流速度和溃灭压力都随之减小；空化泡大小对射流速度的影响不大，尽管溃灭压力随着空泡半径的增大而相应增大，但变化幅度很小；当环境围压增大，最大射流速度和溃灭压力都大幅度增大，溃灭压力在γ=2.0时的增幅甚至接近一个数量级。利用FLUENT软件对喷嘴的流场进行数值模拟，通过获得流场内的速度场、压力场和气相体积分数分布来研究结构参数和工作参数对喷嘴空化的影响规律，以此得到角形喷嘴的最优结构参数。结果表明：收缩段长度变化对喷嘴圆柱段处的射流速度和压降几乎没有影响；扩散段越长，喷嘴空化能力越强，但是出口射流速度会随之大幅减小。在综合评估之下，当喷嘴圆柱段直径为1mm时，喷嘴的收缩角、扩散角以及圆柱段长度都存在最佳值，分别为30o、15o、1mm。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状与分析

1.3 研究目的和内容

第2章 空化及空化射流相关理论

2.1 空化与空蚀

2.2 球形空泡动力方程

2.3 空化射流分类

2.4 数值计算模型

2.5 本章小结

第3章 固壁附近空化泡溃灭过程的数值模拟

3.1 数值计算方案

3.2 空化泡与固壁距离的影响

3.3 空化泡大小的影响

3.4 环境围压的影响

3.5 本章小结

第4章 空化射流喷嘴的数值模拟

4.1 喷嘴结构及计算模型

4.2 喷嘴结构参数优化

4.3 操作条件对空化的影响

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果