空化水 噴丸工藝是用于金屬材料表 面改性的一項(xiàng)新技術(shù) ，該工藝 中的空化行為涉及高速、高壓、相變、湍流、非定常 特性等復(fù)雜多變情況，對(duì)該工藝中的空化行為及沖擊壓力場(chǎng)分布規(guī)律的探索一直是該領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用 FLUNET6.3 流體計(jì)算 軟件對(duì)淹沒(méi)式空化射流 中噴嘴內(nèi)外的流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬 分析，獲 得流場(chǎng) 內(nèi)的速度、靜壓 和汽含率分布規(guī)律 ，同時(shí)使 用 Fujifilm壓敏紙對(duì)空化水噴丸工藝中沿空化射流方向上的沖擊壓力場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。研究結(jié)果表明空化水噴丸 工 藝 中 的 淹 沒(méi) 式 空 化 射 流 在 縮 放 型 噴 嘴 內(nèi) 外 形 成 劇 烈 的 空 化 現(xiàn) 象 ， 空 泡 群 潰 滅 瞬 間 產(chǎn) 生 的 沖 擊 波 壓 力 高 達(dá) 300 M Pa 以 上 。

0前言

空化水噴丸技術(shù)是一項(xiàng)新型表面強(qiáng)化處理技 術(shù) ，它依靠 自身的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在金屬表面改 性技術(shù)領(lǐng)域中引起許多學(xué)者的廣泛關(guān)注 。其工作原理是合理利用淹沒(méi)式高速高壓水射流空化后形成的 大量微小空泡群，空泡群在固體邊界附近潰滅時(shí)可 產(chǎn)生高達(dá)上 GPa的沖擊波壓力，利用該壓力來(lái)強(qiáng)化 金屬材料。目前的研究結(jié)果已經(jīng)證明了該技術(shù)和 其他噴丸技術(shù)一樣能在金屬零部件的近表形成壓縮 殘余應(yīng)力層，同時(shí)改善微觀組織結(jié)構(gòu) ，進(jìn)而提高零 部 件 的 疲 勞 壽 命 。 但 是 該 工 藝 中 的 空 化 行 為 涉 及 高速、高壓、多相、相變 、湍流、非定常特性等復(fù) 雜多變情況，因此對(duì)該工藝中的空化行為及沖擊壓力場(chǎng)分布規(guī)律的探索一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。易燦等19設(shè)計(jì)研制了圍壓下自振噴嘴,通過(guò)試驗(yàn)研究表明該噴嘴的最大起始空化數(shù)可以達(dá)到1.67,而普通錐形噴嘴最大值僅為0.54,李疆等用數(shù)值模擬的方法計(jì)算出空泡在近固壁面附近潰滅時(shí)產(chǎn)生的微射流的速度可達(dá)到v=200 m/s,并利用水錘方程求解微射流在壁面所產(chǎn)生的壓力高達(dá)到300 MPa,鄧松圣等應(yīng)用K-6湍流模型并采用SIMPLEC算法對(duì)角型噴嘴的空化流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。盧義玉等用Standard K-e, RNGK-e和Standard K-c湍流模型對(duì)縮放型噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明RNGK-w模型最適合對(duì)縮放型噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬。SAHAYA等通過(guò)對(duì)鋁合金沖蝕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了在油空化射流沖擊區(qū)域中,由于空泡潰滅產(chǎn)生的微射流,作用在材料表面產(chǎn)生沖擊壓力,超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度,可在材料表面產(chǎn)生沖蝕影響。QIN等基于RayleighPlesset氣泡動(dòng)力學(xué)方程建立縮放型噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)模型,并采用變時(shí)間步長(zhǎng)求解高非線性二階差分方程,獲得精確的空化泡生長(zhǎng)、潰滅和回彈等結(jié)果。董星等模擬了不同壓力作用下水射流在2A11鋁合金材料表層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng),選取射流的噴丸壓力為60~120 MPa,到目前為止,關(guān)于空化水噴丸工藝中空化行為的相關(guān)研究結(jié)果還鮮有報(bào)道。本文擬采用FLUNET6.3流體計(jì)算軟件,利用RNG Ke模型和SIMPLEC算法對(duì)空化水噴丸工藝中的空化行為進(jìn)行數(shù)值模擬,同時(shí)利用富士壓敏紙對(duì)空化水噴丸工藝中沖擊波壓力大小和分布進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

在空化水噴丸工藝中常溫水通過(guò)高壓柱塞泵加壓后,再通過(guò)放縮型噴嘴射入充滿水的容器中形成淹沒(méi)式高壓水射流,在射流方向上產(chǎn)生劇烈的空化現(xiàn)象,靠微空泡群在金屬材料表面潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波壓力來(lái)強(qiáng)化材料的表面,其簡(jiǎn)化后的物理模型如圖1所示,主要包括高壓水入口、縮放型噴嘴、常壓出口和充滿水的空化工作四部分構(gòu)成。
為縮短計(jì)算時(shí)間,縮小了模擬空化容器的體積,其尺寸為中60 mmx60 mm。設(shè)定空化射流的工作區(qū)域和噴嘴的形狀成軸對(duì)稱,因此只需要取1/2的物理模型體積進(jìn)行離散化。如圖2所示,在噴嘴的收縮段、擴(kuò)散段以及噴嘴出口段進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化。
經(jīng)初步計(jì)算分析,物理模型劃分為25 804個(gè)四邊形網(wǎng)格，采用二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散。

1.2邊界條件

參照空化水噴丸工藝中常用的工藝參數(shù)和實(shí)際工況環(huán)境,對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化,并施加如下邊界條件。
(1)入口邊界條件為壓h入口, p1=32 MPa,入口直徑d=6mm。
(2)出口邊界條件設(shè)為壓力出口, p2=1.013×10五次方 Pa,出口直徑d2=2 mm
(3)軸線上邊界條件取徑向速度v=0;固體壁面條件,壁面上滿足無(wú)滑移條件,采用壁面函數(shù)法對(duì)近壁區(qū)處理。
(4)水流溫度恒定,室溫取300 K.

2 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬中采用湍流模型k-e中的RNG模型處理粘度項(xiàng), SIMPLEC算法對(duì)壓力速度進(jìn)行耦合,選擇合適的松弛因子后,進(jìn)行數(shù)值模擬。
模擬后的流場(chǎng)中沿x軸線方向上的靜壓分布如圖3所示,在噴嘴的喉部(x-0.020~-0.012 m區(qū)間內(nèi))有明顯的壓降,最大壓降約-20 MPa,隨后壓力又恢復(fù)到噴嘴出口處的壓值1.013×10五次方 Pa。如果存在微小空泡核沿著噴嘴流動(dòng),它必然會(huì)經(jīng)歷噴嘴處的壓力變化,導(dǎo)致空化泡的產(chǎn)生和潰滅。

圖4是非空化射流(未考慮空化現(xiàn)象)和空化射流的速度場(chǎng)的對(duì)照?qǐng)D。從圖4可以看出,二者的速度場(chǎng)分布規(guī)律基本相同,后者在數(shù)值上略大于前者,在分布上略廣與前者。兩種模擬結(jié)果的流場(chǎng)速度分布在噴嘴縮放段速度梯度較大,并且速度變化明顯;
在離開噴嘴出口之后,流體出現(xiàn)一個(gè)等速流核區(qū),并且在垂直于軸向方向存在明顯的速度梯度變化;在等速流核區(qū)末尾,流體速度迅速降低。

由圖5中可以明顯看出,在淹沒(méi)式非空化條件下,水射流的速度衰減得很快。這就意味著如果在水噴丸工藝中使用傳統(tǒng)的水射流噴丸工藝,周圍的水環(huán)境不僅會(huì)造成水射流的速度嚴(yán)重衰減,還會(huì)影響射流的有效距離范圍,進(jìn)而降低水噴丸能力和水射流的效率。但在空化條件下,空化射流的速度相心區(qū)比水射流長(zhǎng);另外,由圖5中還可以觀察到,在坐標(biāo)0點(diǎn)以后沿x軸線方向,在相同坐標(biāo)位置空化射流所對(duì)應(yīng)的速度值都明顯大于非空化射流的速度值。

由圖6中可以看出,在噴嘴擴(kuò)張段處明顯發(fā)生了空化現(xiàn)象,這與空化通常發(fā)生在穩(wěn)定空泡的下游相吻合,因?yàn)樗鲝娜肟诘氖湛s段到噴嘴中間位置,流速逐漸加大,導(dǎo)致壓力驟減,進(jìn)入噴嘴擴(kuò)張段后,流速突然降低,在擴(kuò)張段壁面附近由于突然擴(kuò)張而產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū),空泡得以滯留。但由于突然產(chǎn)生的漩渦,導(dǎo)致流體流動(dòng)的連續(xù)性被破壞,空泡的體積濃度急劇增大,在擴(kuò)張段壁面附近的最高汽含率達(dá)到0.99。

3試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)研究中使用的空化水噴丸裝置主體結(jié)構(gòu)如圖7所示,主要包括蓄水罐、高壓泵、氣泵、豌量計(jì)、噴嘴、工作水槽、夾具等部分。蓄水罐中的水通過(guò)高壓泵(最高壓力為32 MPa,常用流量為16 L/min)進(jìn)行加壓后通過(guò)噴嘴射入工作水槽(水槽內(nèi)水為常溫常壓狀態(tài))中,形成垂直淹沒(méi)式空化射流。該工藝的主要工藝參數(shù)包括工作壓力、通氣量、噴嘴直徑、噴射距離、噴丸時(shí)間等。

3.2 沖擊壓測(cè)定試驗(yàn)方法

為了測(cè)定空化水噴丸工藝中沿空化射流方向上由于空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波壓力分布規(guī)律,本研究使用Fuijfilm超高壓壓敏紙(量程: 130~300 MPa),并選用與數(shù)值模擬時(shí)相同的工藝條件和試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。壓敏紙由聚酯纖維材料基底層、成色層和含顯色材料的微膠囊層復(fù)合而成。
當(dāng)沖擊壓力p作用在壓敏紙上時(shí),造色層中微膠囊發(fā)生破裂,成色層吸收微膠囊中的顯色物質(zhì)并發(fā)生反應(yīng)而形成濃度不均的紅色斑點(diǎn),利用FPD-30SE顏色指示器(專用濃度計(jì))和FPS-307E軟件(專用壓力換算軟件)可以將壓敏紙的變色濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壓力值。測(cè)定方法如圖8所示,將感壓紙密封粘結(jié)在專用夾具上,然后豎直置于空化射流工作區(qū)域中心做t=5s的感壓處理。

在空化水噴丸工藝中工作壓力、噴嘴直徑、流量等工藝參數(shù)通常保持恒定,通氣量、噴丸時(shí)間、噴射距離是可調(diào)的工藝參數(shù),而通氣量是影響空化射流方向上沖擊波壓力大小的關(guān)鍵參數(shù),因此試驗(yàn)中對(duì)不同通氣量(0 L/min,0.2 L/min,0.4 L/min0.6L/min, 0.8 Lmin, 1.0 L/min)條件下的沖擊壓力分布進(jìn)行測(cè)定。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

感壓后的壓敏紙如圖9a所示,當(dāng)受到?jīng)_擊壓力的作用后,壓敏紙上形成了一個(gè)火焰狀濃度不均的紅色區(qū)域,利用FPD-30SE專用濃度計(jì)對(duì)壓敏紙的變色濃度進(jìn)行讀取、量化和記錄,直接利用FPS-307E專用壓力轉(zhuǎn)換軟件將對(duì)應(yīng)的濃度值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的沖擊壓力值。圖9b中顯示了一個(gè)變色濃度的標(biāo)準(zhǔn)比色卡,最低濃度0.1對(duì)應(yīng)130 MPa,最高濃度1.3對(duì)應(yīng)300 MPa,從圖9c也可以看出用高速攝像機(jī)拍攝的空化射流方向上的空泡云照片和感壓后壓敏紙的變色分布規(guī)律有著很好的一致性沿空化射流方向上,不同通氣量條件下由于空泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波壓力分布的測(cè)量結(jié)果如圖10所示。當(dāng)通氣量由0L/min增加到0.4 L/min時(shí),沖擊壓力的值也逐漸變大,工藝能力得到提高。當(dāng)通氣量繼續(xù)增加到1.0 L/min時(shí),沖擊壓力值逐漸變小,工藝能力下降。當(dāng)通氣量達(dá)到1.0L/min時(shí)的沖擊壓力值比0L/min時(shí)的值還要小,表明過(guò)多地通入空氣會(huì)抑制空化現(xiàn)象的產(chǎn)生,反而降低該工藝的強(qiáng)化能力。當(dāng)通氣量為0.4 L/min時(shí)沖擊壓力的最大值達(dá)到了300 MPa,射流方向上距離噴嘴上方60-120 mm范圍內(nèi)的沖擊波壓力值較高,在250-300 MPа范圍內(nèi)。

圖11是不同通氣量條件下的沖擊壓力極值,從圖11可以看出通氣量在0.2~0.6 L/min范圍內(nèi),測(cè)得沖擊壓力極值都在270 MPa以上,說(shuō)明該工藝范圍具有較強(qiáng)的工藝能力。當(dāng)通入空氣量達(dá)到1.0L/min后沖擊壓力的極大值下降到145 MPa,比通氣量0L/min時(shí)還低35 MPa。

4 結(jié)論

(1) 采 用 湍 流 模 型K-e中的RNG模型適合空化水噴丸工藝 中縮放型噴嘴 內(nèi)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬 ，可 獲得流場(chǎng)的速度和汽含率分布等。

(2) 在 噴 嘴 的 喉 部 處 產(chǎn) 生 約 -20 M Pa 的 壓 降 ， 可促進(jìn)空化現(xiàn)象的發(fā)生 ，同時(shí)在噴嘴擴(kuò)張段處 由于 壓 力的降低和噴嘴形狀 的改變也加劇 了空化現(xiàn)象的 產(chǎn)生。

(3)利用壓敏紙測(cè)定沖擊波壓力分布的試驗(yàn)結(jié) 果表 明空化水噴丸工藝中沿空化射流方 向上 由于空 泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波壓力值最高達(dá)到 300MPa。

(4) 通 入 適 量 的 空 氣 可 以 促 進(jìn) 空 化 現(xiàn) 象 的 發(fā) 生，提高空化水噴丸的工藝能力。試驗(yàn)結(jié)果表明最 佳 通 氣 量 在 0 .4 L /m in 左 右 ， 當(dāng) 通 氣 量 超 過(guò) 1 .0 L /m in 后對(duì)空化現(xiàn)象產(chǎn)生抑制作用 。

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