基于CFD的气动喷砂机理与喷砂流场特性研究

气动喷砂是以压缩空气为动力,磨料通过喷嘴加速后,喷射到零件表面,可用于表面强化、表面清洗等工作,广泛地应用于机械、石油、化工、汽车、船舶等行业。 喷嘴是气动喷砂系统中的关键部件之一,其作用是改变气固两相流体的运动和动力特性,对喷砂系统的清理效率影响最大。基于CFD技术,研究气动喷砂机理,对喷嘴内气固两相流动参数之间及其与变截面喷嘴几何参数之间的关系进行分析和研究,为高效喷嘴的设计提供依据;研究气动喷砂流场,对喷嘴出流时气固两相流体的自由喷流颗粒流场进行分析,并对气动喷砂作用表面的冲蚀特性进行研究,得出气固两相流动参数与几何参数对气动喷砂流场特性的影响关系,为气动喷砂系统高效工作提供理论指导;因此,开展气动喷砂机理与喷砂流场特性研究具有重要的实际意义。 在气动喷砂机理研究方面,对喷嘴内气固两相流采用遵循欧拉—拉格朗日方法的离散相模型。应用Fluent软件,采用标准的k-ε模型对喷嘴内气体流场进行仿真计算,获得了气体的压力场和速度场的分布;通过对固体颗粒在气体流场中的仿真模拟,得到了固体颗粒的运动轨迹、速度和动力特性的变化规律。研究表明:固体颗粒粒径越小,受 气体影响越大;不同粒径固体颗粒通过喷嘴后获得的最大总动量不同,与此对应的喷嘴收缩角也不同,并且粒径越大,固体颗粒获得最大总动量对应的喷嘴收缩角越小。在气动喷砂流场研究方面,应用Spalart-Allmaras模型对气体自由喷流流场仿真,获得喷嘴出口欠膨胀超声速喷流产生的链状流场结构。对平板的冲击流场进行仿真,观察到板激波,驻泡等现象。当气体流场中加入固体颗粒时,得到散射状的颗粒流场结构。比较不同粒径固体颗粒对同一位置的平板的平均冲击动量发现:粒径为0.4mm0.8mm固体颗粒对平板中心的冲击动量值较大,冲击效果较好。除了由于喷嘴与平板很近时（小于10mm）,颗粒的积聚影响了冲刷效果以外,固体颗粒对平板中心的冲蚀程度随着平板与喷嘴出口间距离的增大而减小。