空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟及影响因素研究

发布时间：2017-09-24 06:16

  本文关键词：空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟及影响因素研究

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【摘要】：空化水喷丸(WCP)是一种新型的金属表面强化工艺,该工艺利用微小空化汽泡溃灭时产生的冲击波压力和高速微射流来打击金属材料表面,从而达到强化金属零部件的目的。由于空化汽泡群在水中具有极强的流动性,所以空化水喷丸在对一些表面形状复杂的零部件进行强化时具有极好的适应性,尤其是当零部件表面存在一些细小凹槽时,空泡群中的微小空泡可深入其中对其强化。因此,在工程上越来越多的研究人员开始关注这项新型表面强化技术。到目前为止,大多的研究结果可以证明,空化水喷丸可以有效地在金属表层诱导残余应力从而达到提高零部件疲劳寿命的目的,并且空化水喷丸强化后的金属材料表面粗糙度更低。但是,针对该工艺中空化现象的研究,尤其是对喷嘴空化性能的研究还相对较少,这从很大程度上阻碍了空化水喷丸工艺的进一步完善。本文采用数值模拟技术研究空化水喷丸工艺中缩放型喷嘴的空化行为,并选择FLUENT软件中标准k-ε湍流模型、Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化水喷丸工艺中缩放型喷嘴内外的空化流场进行数值模拟。对模拟结果的分析表明:当高压液体进入缩放型喷嘴时,可在喷嘴扩张段内产生剧烈的空化现象;由于扩张段内的速度突然下降导致大量的空化汽泡在扩张段内短暂停留并膨胀,所以在喷嘴扩张段区域的汽含率最高;在入口压力一定的条件下:当喷嘴扩张角不变,喷嘴喉部直径越大,喷嘴喉部的压力值就越低,从而使缩放型喷嘴的空化效果增强;当喷嘴喉部直径不变,喷嘴扩张角越小,喷嘴喉部的压力值同样会越低,缩放型喷嘴的空化效果增强。本文利用Fujifilm压敏试纸测定了不同靶距下空化射流的冲击压力分布情况。结果表明:当靶距在90~150 mm之间时,其冲击压力均维持在相对较高水平(290MPa以上),因此在这个范围区间内比较适合空化水喷丸强化工件;压敏试纸测出的冲击压力最高可达300MPa,其数值远高于喷嘴入口压力32MPa,这证明了缩放型喷嘴可使射流产生剧烈的空化现象。
【关键词】：空化水喷丸 数值模拟 缩放型喷嘴 冲击压力 空化行为
【学位授予单位】：辽宁科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG668
【目录】：

• 中文摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 1. 绪论9-19
• 1.1 喷丸技术简介9
• 1.2 喷丸工艺分类及其基本工作原理9-12
• 1.3 空化水喷丸工艺装置结构及其技术特点12-14
• 1.3.1 空化水喷丸基本装置12-13
• 1.3.2 空化水喷丸工艺的技术特点13-14
• 1.4 国内外研究现状14-17
• 1.5 本课题的研究内容及意义17
• 1.5.1 研究意义17
• 1.5.2 研究内容17
• 1.6 本章小结17-19
• 2. 空化现象及其基本理论19-29
• 2.1 空化现象简介19-21
• 2.1.1 空化产生19
• 2.1.2 空化现象分类19-20
• 2.1.3 空化的影响20-21
• 2.2 空化喷嘴的种类及工作原理21-23
• 2.2.1 风琴管自振喷嘴21-22
• 2.2.2 中心体喷嘴22-23
• 2.2.3 缩放型喷嘴23
• 2.3 影响喷嘴空化性能的因素23-25
• 2.3.1 空化核23-24
• 2.3.2 空化数24-25
• 2.4 空泡运动的基本方程25-28
• 2.4.1 Rayleigh方程25-26
• 2.4.2 空泡的压缩过程[53]26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3. 缩放型喷嘴几何参数对空化流场影响的模拟与分析29-53
• 3.1 计算流体动力学简介29-30
• 3.2 Fluent软件介绍30-33
• 3.3 数值计算中相关数学模型33-38
• 3.3.1 湍流模型[54]33-34
• 3.3.2 多相流模型34-36
• 3.3.3 空化模型36-38
• 3.4 空化水喷丸工艺物理模型建立38-41
• 3.4.1 空化水喷丸工艺模型简化38
• 3.4.2 喷嘴结构参数38-39
• 3.4.3 模型建立及边界条件设定39-40
• 3.4.4 网格划分40-41
• 3.5 模拟结果分析41-52
• 3.5.1 缩放型喷嘴内部流场模拟结果分析41-43
• 3.5.2 喷嘴喉部直径对空化行为影响模拟结果分析43-47
• 3.5.3 喷嘴扩张角度对空化行为影响模拟结果分析47-52
• 3.6 本章小结52-53
• 4. 空化水喷丸工艺冲击压力场的试验测定与研究53-59
• 4.1 试验装置及工艺参数简介53
• 4.2 冲击压力测定方法53-56
• 4.3 试验结果分析56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 5. 结论与展望59-61
• 5.1 结论59-60
• 5.2 展望60-61
• 参考文献61-64
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况64-65
• 致谢65-66
• 作者简介66-67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 董星,段雄;高压水射流喷丸强化技术[J];表面技术;2005年01期

2 杨敏官;肖胜男;康灿;;出口形状对中心体喷嘴射流性能的影响[J];流体机械;2011年05期

3 曾元松;黄遐;李志强;;先进喷丸成形技术及其应用与发展[J];塑性工程学报;2006年03期

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本文编号：909814