论文部分内容阅读
摘 要： 科学技术的发展加剧了资源的消耗，而再制造这种有效减少资源消耗的手段逐渐被世界上各个国家所重视，如何增大资源利用率，减少废弃物产生，减小对生态环境的影响，都是研究的重点部分。高压水射流清洗技术，通过使用物理方法对污染物进行清洗，并使用过的水能过滤循环利用。如何合理利用高压水射流清洗技术清洗污染物，将使用后的水进行过滤循环利用，并降低使用成本，都是需要研究解决的问题。本文主要探讨高压水射流清洗技术的应用于分析，探究其内部部件构造，给喷嘴选用提出建议。
关键词： 高压水射流清洗技术；喷嘴结构；再制造技术
【中图分类号】 TB490 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）06-0157-02
1高压水射流清洗技术介绍
1.1高压水射流清洗技术特点。
制造加工行业中有一项不可缺少的基础操作，那就是清洗行业。现代清洗方式的发展出现了高压水射流清洗技术，这种清洗技术是有别于传统的化学清洗以及人力清洗等清洗方法的新型物理清洗方式。与其他的传统方式相比，高压水射流清洗技术的工作效率更好，所花费的工作时间更少，对环境的污染与资源的浪费也较清，且清洗所花费的成本也低，具有其自身独特的优势，正逐渐替代传统清洗技术成为应用最广的清洗技巧。其主要具有以下几点优势：
（1）高压水射流清洗技术所喷出的水射流压力以及水流流量大小可以根据实际使用的情况进行调整，不回对被清洗物的本身造成任何损伤。
（2）高压水射流清洗技术在使用过后如果没有什么其他特殊要求，不需要对被清洗物进行二次清洗。
（3）高压水射流清洗技术适用于清洗复杂形状或者结构的物体，并且能够在较为狭小的空间内进行作业。
（4）高压水射流清洗技术的工作效率高，清洗成本低。
（5）高压水射流清洗技术适用于任何没有特殊限制的材料及带去污的污染物，只要水射流能够作用在被清洗物表面皆可[1]。
（6）通过实现了自动化清洗作业，减少了劳动力的使用。
1.2喷嘴形式。
高压水射流清洗技术中，直接执行工作的元件是喷嘴，它也是最核心的技术元件之一，通过喷嘴喷射高速流体，并利用其对物体进行清洗、破碎或者切割等作业。喷嘴结构的不同对喷出射流的性能参数有着直接的影响，使用性能高效的喷嘴需要具备以下特点：
（1）能有效将喷嘴中喷射的高速水射流压力有效转换为对工作面的冲击力。
（2）喷射段是水流压力损失必须尽可能减到最小，以此减少水射流中空气侵入的作用力，让水射流尽量处于稳定的状态，更有利于工作靶面作业。
（3）喷嘴必须不容易发生堵塞，避免操作事故。
（4）尽可能在保证良好冲洗效果的前提下减少用水消耗。
2高压水射流技术应用
科学技术的发展带动着计算机技术的进步，过去许多复杂繁琐的物理实验已经逐渐被计算机仿真技术所取代，而且计算机仿真技术的成熟使得实验数据相当可靠。通过对高压水射流清洗技术进行过程分析，就能获得详细的压力、速度、流场、能量等详细的分析情况，并且为实际操作流程寻找技术缺陷并进行技术的优化。本文主要研究COMSOL Multiphysics软件，通过该软件的仿真系统分析高压水射流系统的喷嘴结构参数变化对水流场分布的影响[2]。
2.1仿真技术分析水射流喷射嘴。
2.1.1COMSOL Multiphysics软件。
COMSOL Multiphysics软件是一款功能强大的高级仿真软件，主要应用于工业、航天、医疗等领域的仿真技术计算，其强大的功能可以模仿出许多科学研究方面的物理过程，且计算效率极高并能通过数值仿真多长直接耦合问题，计算结果精准度高，软件当中也预置了多种与科学技术领域当中的物理实验相关应用模式，其范围包含了热量传递、电磁电势、结构力学、流体流动分析等多种物理场，使用者可以通过这些预设快速构建模型并解决问题，本文中主要选择了单向流模块以进行仿真分析[3]。
2.1.2喷嘴结构对内部流场的影响。
本文以圆锥形喷嘴作为主要研究对象。通过仿真技术分析可以准确的确定喷追结构对流场分布的影响，以达到准确计算并提高整体水射流性能以及改善喷追结构的要求。圆锥形喷嘴的主要结构为收缩角α、出口圆柱段长度S、出口直径d、入口圆柱段长度R、入口直径D。
2.1.3建立模型。
本文实验中选定的物理场为单向流-湍流。且对模型材料的定义为水，对于边界条件方面，包括指定喷嘴的出入口在内的其余边界都为固体壁面，模型的出口环境为大气压，需要计算出入口处的平均速度以及相对应的湍流参数。
本文选用的喷嘴入口压力大小为20MPa，入口圆柱段的长度统一都设定为5mm，需要通过公式计算出其相应工作情况下的湍流参数以确定需要研究的喷嘴结构。通过COMSOL Multiphysics软件，主要进行一下实验[4]：
（1）通过COMSOL Multiphysics软件分析其流场分布随收缩角变化的规律，确定进入喷嘴的直径大小D=8mm，出口圆柱段长度S=4mm。出口的直径大小d=2mm。
（2）通过软件COMSOL Multiphysics分析流场随出口直径d变换规律，确定收缩角α=30°，出口圆柱段长度S=4mm，入口直径大小D=8mm不变。
（3）通过软件COMSOL Multiphysics分析出口圆柱段长度S变换规律，确定收缩角α=30°，出口直径d=2mm，入口直径大小D=8mm不变。
2.2喷嘴收缩角对流场影响。
（1）喷嘴收缩角α=30°的時候其内部流场分布。
当喷嘴收缩角α=30°的时候其内部剖面上的水流场速度与压力的分布进行实验。根据实验结果分析得出，位于入口处的压力最大，且压力值为2.2457x107Pa，与初始计算值20MPa虽然接近但是有出入，但考虑网格分布等方面所牺牲的计算精度，其数值在可接纳范围；位于出口起始位置的压力最小，为-1.2051x106Pa。位于出口处的速度最大，数值为212.06m/s，最小值位于收缩段和入口段相连的拐角位置，为3.15m/s。 实验结果分析得出，负压区出现在喷嘴出口处的起始位置，负压区所表示的是压力比大气压小的区域，如图2-1中的深色区域所示。负压区可能会出现空化现象，这对水射流与喷嘴的使用寿命都是不利的。经过测试发现，随着收缩角角度变大，其负压区面积也会随之增加，因此得出结论，较小的收缩角会减少喷嘴内出现负压区[5]。
图2-1负压区
根据收缩角从30°到90°时喷嘴从入口至出口的速度分布实验可以得出以下结论。
实验分析结果得出，出口速度随着收缩角α的增大而增大。收缩段中收缩角的斜率较大，此时内部的速度增长也较大；在出口处，各部分曲线则是几乎平行的状态，速度变化趋于平稳。
实验结果分析得出，喷嘴出口处的中心速度随着收缩角α增大而增大，但到了边缘位置速度会随之减小，总体分析得知，当喷嘴中的径向速度变换范围增加的时候，其内部的速度分布也会变得更加不均匀。当水射流从喷嘴出口喷射的时候，水射流受到空气阻力以及侵入作用的影响，其径向速度的变化范围就会增大，而水射流就会出现衰减现象。因此，较小是收缩角对于水射流能起到穩定的作用，带来相对稳定的射流流动性，让喷射出的水射流能有更加匀称的冲洗效果[6]。
综上所述，收缩角角度不宜过大，较小的收缩角能让喷嘴拥有更加良好的冲洗效果。
2.2高压水射流清洗技术应用效果分析。
通过高压水射流清洗技术对被洗物件表面进行清洗的过程当中，肯定会对清洗物体的表面造成一定程度的影响，水流冲刷力度如果过大就可能会对清洗物件表面造成损伤，这也对有精准加工要求的零部件有负面影响，可能会导致该部件无法达到制造或再利用的使用要求。通过高压水射流清洗技术对不同硬度的钢铁进行冲击，通过白光干涉仪设备以检测冲击前后钢件表面粗糙程度的变化情况，观察表面冲击损伤之后所发生的表面微观变化。通过特定参数下对高压水射流清洗技术使用，得出以下几点结论[7]：
（1）被清洗部件经过高压水射流清洗技术的清洗之后，物体表面质量会有所下降，其表面粗糙程度会增加。
（2）材料自身材质硬度对高压水射流的冲击有及其重要的影响，表面硬度越小的材质越容易受到影响。而在同种材质下不同部件表面粗糙度经高压水射流冲击后发现其变化程度相似，这也说明了表面质量的变化与初始表面质量无关联，只受到高压水射流冲击环境的影响[8]。
（3）高压水射流的冲击所造成的表面损伤会出现一种中心对称的特殊形状孔洞，其中部高度平缓，而这种孔洞的出现也是造成材料表面质量变差的原因之一。
总结：通过对高压水射流清洗技术的关键喷嘴部位进行不同构造的喷嘴内部流场进行计算机仿真技术分析，通过COMSOL Multiphysics软件模拟分析了喷嘴不同参数情况下对水流场的影响，并通过实验进行数据收集得出了喷嘴中各部位构件结构参数对喷射出的水射流的流场特性以及影响其流场的规律变化，对喷射嘴的结构参数提出更加合理的建议。期望对高压水射流清洗技术的使用提供帮助。
参考文献
[1] 陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程，2013（02）：6-8.
[2] 王洪仁.有关高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].商，2016（20）：295.
[3] 陈明. 水射流清洗喷嘴内清洗液流动特性分析[D].东北石油大学，2016.
[4] 王丽萍，蔡晓君，窦艳涛，巢鑫迪，王妍陶.高压水射流清洗参数实验研究[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：48-51.
[5] 肖厚韬.高压水射流自动清洗钻杆系统设计及喷嘴仿真[D].长沙矿山研究院，2016.
[6] 郭琦.面向再制造的高压水射流清洗研究与应用[D].山东大学，2015.
[7] 狄文婷.高压射流中磨料加速的仿真及影响因素研究[D].内蒙古科技大学，2014.
[8] 连雪崎.射流技术在油罐清洗中的应用思考[J].中国石油石化，2017（07）：148-149.
关键词： 高压水射流清洗技术；喷嘴结构；再制造技术
【中图分类号】 TB490 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）06-0157-02
1高压水射流清洗技术介绍
1.1高压水射流清洗技术特点。
制造加工行业中有一项不可缺少的基础操作，那就是清洗行业。现代清洗方式的发展出现了高压水射流清洗技术，这种清洗技术是有别于传统的化学清洗以及人力清洗等清洗方法的新型物理清洗方式。与其他的传统方式相比，高压水射流清洗技术的工作效率更好，所花费的工作时间更少，对环境的污染与资源的浪费也较清，且清洗所花费的成本也低，具有其自身独特的优势，正逐渐替代传统清洗技术成为应用最广的清洗技巧。其主要具有以下几点优势：
（1）高压水射流清洗技术所喷出的水射流压力以及水流流量大小可以根据实际使用的情况进行调整，不回对被清洗物的本身造成任何损伤。
（2）高压水射流清洗技术在使用过后如果没有什么其他特殊要求，不需要对被清洗物进行二次清洗。
（3）高压水射流清洗技术适用于清洗复杂形状或者结构的物体，并且能够在较为狭小的空间内进行作业。
（4）高压水射流清洗技术的工作效率高，清洗成本低。
（5）高压水射流清洗技术适用于任何没有特殊限制的材料及带去污的污染物，只要水射流能够作用在被清洗物表面皆可[1]。
（6）通过实现了自动化清洗作业，减少了劳动力的使用。
1.2喷嘴形式。
高压水射流清洗技术中，直接执行工作的元件是喷嘴，它也是最核心的技术元件之一，通过喷嘴喷射高速流体，并利用其对物体进行清洗、破碎或者切割等作业。喷嘴结构的不同对喷出射流的性能参数有着直接的影响，使用性能高效的喷嘴需要具备以下特点：
（1）能有效将喷嘴中喷射的高速水射流压力有效转换为对工作面的冲击力。
（2）喷射段是水流压力损失必须尽可能减到最小，以此减少水射流中空气侵入的作用力，让水射流尽量处于稳定的状态，更有利于工作靶面作业。
（3）喷嘴必须不容易发生堵塞，避免操作事故。
（4）尽可能在保证良好冲洗效果的前提下减少用水消耗。
2高压水射流技术应用
科学技术的发展带动着计算机技术的进步，过去许多复杂繁琐的物理实验已经逐渐被计算机仿真技术所取代，而且计算机仿真技术的成熟使得实验数据相当可靠。通过对高压水射流清洗技术进行过程分析，就能获得详细的压力、速度、流场、能量等详细的分析情况，并且为实际操作流程寻找技术缺陷并进行技术的优化。本文主要研究COMSOL Multiphysics软件，通过该软件的仿真系统分析高压水射流系统的喷嘴结构参数变化对水流场分布的影响[2]。
2.1仿真技术分析水射流喷射嘴。
2.1.1COMSOL Multiphysics软件。
COMSOL Multiphysics软件是一款功能强大的高级仿真软件，主要应用于工业、航天、医疗等领域的仿真技术计算，其强大的功能可以模仿出许多科学研究方面的物理过程，且计算效率极高并能通过数值仿真多长直接耦合问题，计算结果精准度高，软件当中也预置了多种与科学技术领域当中的物理实验相关应用模式，其范围包含了热量传递、电磁电势、结构力学、流体流动分析等多种物理场，使用者可以通过这些预设快速构建模型并解决问题，本文中主要选择了单向流模块以进行仿真分析[3]。
2.1.2喷嘴结构对内部流场的影响。
本文以圆锥形喷嘴作为主要研究对象。通过仿真技术分析可以准确的确定喷追结构对流场分布的影响，以达到准确计算并提高整体水射流性能以及改善喷追结构的要求。圆锥形喷嘴的主要结构为收缩角α、出口圆柱段长度S、出口直径d、入口圆柱段长度R、入口直径D。
2.1.3建立模型。
本文实验中选定的物理场为单向流-湍流。且对模型材料的定义为水，对于边界条件方面，包括指定喷嘴的出入口在内的其余边界都为固体壁面，模型的出口环境为大气压，需要计算出入口处的平均速度以及相对应的湍流参数。
本文选用的喷嘴入口压力大小为20MPa，入口圆柱段的长度统一都设定为5mm，需要通过公式计算出其相应工作情况下的湍流参数以确定需要研究的喷嘴结构。通过COMSOL Multiphysics软件，主要进行一下实验[4]：
（1）通过COMSOL Multiphysics软件分析其流场分布随收缩角变化的规律，确定进入喷嘴的直径大小D=8mm，出口圆柱段长度S=4mm。出口的直径大小d=2mm。
（2）通过软件COMSOL Multiphysics分析流场随出口直径d变换规律，确定收缩角α=30°，出口圆柱段长度S=4mm，入口直径大小D=8mm不变。
（3）通过软件COMSOL Multiphysics分析出口圆柱段长度S变换规律，确定收缩角α=30°，出口直径d=2mm，入口直径大小D=8mm不变。
2.2喷嘴收缩角对流场影响。
（1）喷嘴收缩角α=30°的時候其内部流场分布。
当喷嘴收缩角α=30°的时候其内部剖面上的水流场速度与压力的分布进行实验。根据实验结果分析得出，位于入口处的压力最大，且压力值为2.2457x107Pa，与初始计算值20MPa虽然接近但是有出入，但考虑网格分布等方面所牺牲的计算精度，其数值在可接纳范围；位于出口起始位置的压力最小，为-1.2051x106Pa。位于出口处的速度最大，数值为212.06m/s，最小值位于收缩段和入口段相连的拐角位置，为3.15m/s。 实验结果分析得出，负压区出现在喷嘴出口处的起始位置，负压区所表示的是压力比大气压小的区域，如图2-1中的深色区域所示。负压区可能会出现空化现象，这对水射流与喷嘴的使用寿命都是不利的。经过测试发现，随着收缩角角度变大，其负压区面积也会随之增加，因此得出结论，较小的收缩角会减少喷嘴内出现负压区[5]。
图2-1负压区
根据收缩角从30°到90°时喷嘴从入口至出口的速度分布实验可以得出以下结论。
实验分析结果得出，出口速度随着收缩角α的增大而增大。收缩段中收缩角的斜率较大，此时内部的速度增长也较大；在出口处，各部分曲线则是几乎平行的状态，速度变化趋于平稳。
实验结果分析得出，喷嘴出口处的中心速度随着收缩角α增大而增大，但到了边缘位置速度会随之减小，总体分析得知，当喷嘴中的径向速度变换范围增加的时候，其内部的速度分布也会变得更加不均匀。当水射流从喷嘴出口喷射的时候，水射流受到空气阻力以及侵入作用的影响，其径向速度的变化范围就会增大，而水射流就会出现衰减现象。因此，较小是收缩角对于水射流能起到穩定的作用，带来相对稳定的射流流动性，让喷射出的水射流能有更加匀称的冲洗效果[6]。
综上所述，收缩角角度不宜过大，较小的收缩角能让喷嘴拥有更加良好的冲洗效果。
2.2高压水射流清洗技术应用效果分析。
通过高压水射流清洗技术对被洗物件表面进行清洗的过程当中，肯定会对清洗物体的表面造成一定程度的影响，水流冲刷力度如果过大就可能会对清洗物件表面造成损伤，这也对有精准加工要求的零部件有负面影响，可能会导致该部件无法达到制造或再利用的使用要求。通过高压水射流清洗技术对不同硬度的钢铁进行冲击，通过白光干涉仪设备以检测冲击前后钢件表面粗糙程度的变化情况，观察表面冲击损伤之后所发生的表面微观变化。通过特定参数下对高压水射流清洗技术使用，得出以下几点结论[7]：
（1）被清洗部件经过高压水射流清洗技术的清洗之后，物体表面质量会有所下降，其表面粗糙程度会增加。
（2）材料自身材质硬度对高压水射流的冲击有及其重要的影响，表面硬度越小的材质越容易受到影响。而在同种材质下不同部件表面粗糙度经高压水射流冲击后发现其变化程度相似，这也说明了表面质量的变化与初始表面质量无关联，只受到高压水射流冲击环境的影响[8]。
（3）高压水射流的冲击所造成的表面损伤会出现一种中心对称的特殊形状孔洞，其中部高度平缓，而这种孔洞的出现也是造成材料表面质量变差的原因之一。
总结：通过对高压水射流清洗技术的关键喷嘴部位进行不同构造的喷嘴内部流场进行计算机仿真技术分析，通过COMSOL Multiphysics软件模拟分析了喷嘴不同参数情况下对水流场的影响，并通过实验进行数据收集得出了喷嘴中各部位构件结构参数对喷射出的水射流的流场特性以及影响其流场的规律变化，对喷射嘴的结构参数提出更加合理的建议。期望对高压水射流清洗技术的使用提供帮助。
参考文献
[1] 陈玉凡.高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].中国设备工程，2013（02）：6-8.
[2] 王洪仁.有关高压水射流清洗技术现状及发展前景[J].商，2016（20）：295.
[3] 陈明. 水射流清洗喷嘴内清洗液流动特性分析[D].东北石油大学，2016.
[4] 王丽萍，蔡晓君，窦艳涛，巢鑫迪，王妍陶.高压水射流清洗参数实验研究[J].实验室研究与探索，2017，36（08）：48-51.
[5] 肖厚韬.高压水射流自动清洗钻杆系统设计及喷嘴仿真[D].长沙矿山研究院，2016.
[6] 郭琦.面向再制造的高压水射流清洗研究与应用[D].山东大学，2015.
[7] 狄文婷.高压射流中磨料加速的仿真及影响因素研究[D].内蒙古科技大学，2014.
[8] 连雪崎.射流技术在油罐清洗中的应用思考[J].中国石油石化，2017（07）：148-149.