微水导激光稳定水束光纤的CFD仿真研究.pdf

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1、2013年第41卷第8期流体机械2l文章编号：1005—0329(2013)08—0021一o5微水导激光稳定水束光纤的CFD仿真研究符永宏，曹佳，董非。杨守军，吴锦泉(江苏大学，江苏镇江212013)摘要：利用计算流体力学(CFD)的方法对水射流进行了气／液两相流数值模拟分析，研究了一定喷嘴结构下获得最大稳定射流长度时所需的入口速度大小，分析了不同速度下射流破碎长度和稳定长度的及射流破碎形式，并验证了射流的缩流现象。计算结果表明，在直径为0．2mm，长径比为2．5，入口无倒角的喷嘴结构下，喷射速度50～200m／s时，可获得的水射流最大稳定长度70mm。液体经喷嘴喷出时，在喷嘴

2、口会产生缩流，缩流后射流直径约为喷嘴直径的80％～85％。关键词：微水导激光；水束光纤；气／液两相流；稳定长度；缩流中图分类号：TH3；TN2文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．08．005CFDSimulationoftheLaserStableWaterBeaminMicroWater-jetGuidedLaserFUYong—hung，CAOJia，DONGFei，YANGShou-jun，WUJin—quan(JiangsuUniversity，Zhe~iang212013，China)Abstract：Computation

3、alFluidDynamics(CFD)methodwas,usedinthispapertosimulateandanalyzethegas-watertwophaseflowofwaterjets．Studiedtheoptimalspeedforthemaximumlengthofwaterjetundercertainnozzlediameter．Acquiredthevolumefractioncontoursofwater／gasandthespeedcurveinaxispositionundersixspeedentrance，Analysedthestablel

4、engthandbrokenlengthandthestyleofbrokeninsixentrancespeed，Thephenomenonofjetcontractionwasverificated．Thesimulationshowsthatwhenthenozzlediameteris0．2mm，lengthtodiameterratiois2．5，thelongeststablelengthcanbeac—quiredwiththespeedrangefrom50m／sto200m／s，thelengthcanreachedto70mm．thecontractionwi

5、lloccurinthenozzleexitwhentheliquidinjectedintoagasmedium．Keywords：microwater-jetguidedlaser；waterbeamopticalfiber；gas-watertwophaseflow；stablelength；contractionflow1前言高压水通过喷嘴射入空气介质后，由于气动力、惯性力、粘性力和表面张力等各种力的作用，射流将微水刀激光作为一项世界性的专利技术已经与周围空气发生动量、质量的交换和紊动扩散，随在微工程领域中得到广泛的应用。该技术通过一着离喷嘴出口的距离的增加，液滴将从射流

6、中分束低压、直径很小的水射流引导激光，激光束在水离出来，连续的水束被分裂破碎成为形状各异的射流与空气交界面发生全反射从而被约束在水射离散团'4J。破碎的水射流将破坏光在水束中的流内。激光束被水射流引导至工件表面进行加全反射条件，所以稳定水射流的形成是实现激光工，在某种意义上来说，水射流类似传统的玻璃纤束与水束耦合的关键。维。所以稳定水束光纤的生成是微水导激光技术两相射流及其界面破碎的研究一直是流体力的关键。微水导激光综合了激光加工与水射流加学所关注的问题。2003年，瑞士的FrankWagner工的优点，使得加工无污染，无热影响，无毛刺和等研究了水射流的稳定长度与喷嘴直径、水速的

7、应力¨l2J。微水导激光中水射流属非淹没射流，关系J，提出水射流存在最佳稳定速度和最大稳收稿日期：2012—11—02修稿日期：2013—06—03基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175233)；江苏省科技成果转化专项基金资助项目(BA2010068)；江苏省高校科研成果产业化推进项目(JHB2011—39)；常州市科技支撑计划(工业)项目(CE20110041)2013年第41卷第8期流体机械23轴线位置将网格加密，纵向设置1O个节点，其中毒[(+嘲AB段是喷嘴人口，即