脉冲磨料射流中球泡溃灭特性研究及数值分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第2期应用力学学报V01．23No．22006年6月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSJun．2006文章编号：1000—4939(2006)02．0199—04脉冲磨料射流中球泡溃灭特性研究及数值分析’卢义玉李晓红康勇焦斌权(重庆大学重庆400044)摘要：从理论上研究了脉冲磨料射流中空化球泡的渍灭特性，建立了脉冲磨料射流中空化球泡的动力学方程，数值计算分析了磨料浓度、磨料粒径、射流振荡频率和幅值以及流场压力对脉冲磨料射

2、流中空泡溃灭过程的影响规律。研究表明，脉冲磨料射流中磨料的存在将增大空泡溃灭历时，从而减弱射流的空蚀破坏能力，其中磨料的粒径、浓度和流场压力影响幅度较大。关键词：脉冲磨料射流；空化球泡；溃灭；数值模拟中图分类号：TB126文献标识码：A本文主要建立脉冲磨料射流中空化球泡的动力．【引吾学方程以及数值模拟空化球泡的溃灭特性。磨料射流已广泛应用石材加工、岩石破碎。在2脉冲磨料射流中空泡动力学方程脉冲磨料射流中，由于振荡而存在着空化效应，必然会影响到磨料射流的切割破碎性能，到目前为止，固由于实验中磨料粒径小(d≤0

3、．15ram)、体积液两相流中空化发生、发展机理仍不十分清楚，有关浓度小(≤59，6)且变化范围不大，假设射流中固文献也不多，Bourne和Fieid[1用高速摄影研究了液两相混合流体由单一粒径均匀悬浮的分散相和粘有固体粒子的空腔溃灭特性，表明空泡溃灭受空泡性不可压缩液体的连续相组成。粘性流体相的动力与固体粒子的相对位置、微射流及冲击波的方向影学方程，忽略重力、升力以及相变引起的动量源项，响很大，而且溃灭中由于固体粒子的存在，使流体紊按Elghobashi和AbouArab㈨给出的两相流湍流模动更剧烈并存在

4、许多涡旋和微空泡；黄继汤伽和陈秉二[{分别采用高速摄影技术研究了液体特性、含型形式可以写为砂浓度和流速等对空泡膨胀及收缩的影响，试验表+(譬卜UX(×U)+去户+明在运动情况下，水中夹沙对空泡的膨胀和收缩影响类似于液体粘性的影响，即空泡膨胀及收缩过程Fk(U一’，)+(．r)一0(1)明显变缓，而且越到后期影响越明显，空泡溃灭收缩式中：U为液相速度，m／s；V为固相磨料粒子的速时泡壁速度和加速度均逐渐变小；黄佃彬等人试验研究了含砂掺气高速水流(15～3Ore／s)对混凝土度，m／sF为动量交换系数，F一(1

5、+丢Re；)材料壁面的磨蚀规律；梁柱L6]运用声学近似法建立)，为流体动力粘性系数；Re一J“一J／f,；k为了固液两相流中泡动力学方程i陆力用Euler—la—磨料相对体积浓度．志一瓯／(1一吼)i为液相密度，grange方法研究了固液两相流中的空泡溃灭问题，但目前尚无有关磨料空化射流的研究报道。kg／m。；r为液相应力张量。*基金项目：国家自然科学基金项目资助(No．50334060)来稿日期：2004—09—06修回日期：2005—09—19第一作者简介：卢义玉，男．1972年生．博士．重庆大学资源及

6、环境科学学院，副教授；研究方向：高压水射流理论及应用维普资讯http://www.cqvip.com200应用力学学报第23卷由于本文重点研究的是溃灭过程中空泡与磨粒将以上四式代人式(3)可得脉冲磨料射流中空之间相对动态特性，且空泡溃灭过程与流体速度变化球泡的动力学方程化相比要快得多，为使问题简化，不考虑流体本身速RR+(+一P一+度变化的影响，只考虑空泡运动过程中混合流体沿乙D

7、l空泡径向的运动。用径向矢量点乘式(1)中各项并]+RR—aavdr—dr++沿径向从泡壁尺到∞积分可得丛r-~-：’dr一0(

8、5)～如+c户一PR+p!JRl’‘由于磨料粒子浓度很低，不考虑其相互作用和碰jJR(“～)dr十p￡jJR(·r)，dr一0(2)撞，忽略重力、Saffman力和Magnus力，用球形颗粒在紊流中的13．B．0方程嘲来考察磨料粒子的运动式中：“(r)一l【，l，(r)=Iyl，分别为流体和磨粒的径向运动速度，m／s；下标R和。。分别表示泡壁R宝一A(“一)+Azdu+A尘dr处和无穷远处相应的变量；(·r)，为·r的径向(6)分量，可写为式中(．r)，一孕+一堡±塑Al=18而’由于十+一0Az一，故有(

9、．)，：+drr由于泡径R变化过程很侠，口J视为理想气体绝A一；热过程，在泡壁上的气泡平衡方程为其中：k。一为固、液相密度比；忌，，为附加质+：：鲁一10f量系数。式中：为液体的表面张力；P为初始时刻气体压如果以和r，表示空泡的溃灭时间和磨粒的强；R为初始时刻泡径；户为饱和蒸汽压；y为气体驰豫时间，它们的估计值分别为绝热指数。—0．915RMf／(户一P)，将以上两式代人式(2)可得：——一drw1针去一十2o-