微水导激光稳定水束光纤的CFD仿真研究

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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-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 ： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.08.005CFD Simulation of the Laser Stable Water Beam in Micro Water-jet Guided LaserFU Yong-hung，CAO Jia，DONG Fei，YANG Shou-jun，WU Jin-quan(Jiangsu University，Zheiang 212013，China)Abstract： Computational Fluid Dynamics(CFD)method was，used in this paper to simulate and analyze the gas-water twophase flow of water jets.Studied the optimal speed for the maximum length of water jet under certain nozzle diameter.Acquiredthe volume fraction contours of water/gas and the speed curve in axis position under six speed entrance，Analysed the stablelength and broken length and the style of broken in six entrance speed，The phenomenon of jet contraction was verifcated.Thesimulation shows that when the nozzle diameter is 0.2mm，length to diameter ratio is 2.5，the longest stable length can be ac-quired with the speed range from 50m/s to 200m/s，the length can reached to 70mm.the contraction wil occur in the nozzle exitwhen the liquid injected into a gas medium。

Key words： micro water-jet guided laser；water beam optical fiber；gas-water two phase flow；stable length；contraction flow1 前言微水刀激光作为-项世界性的专利技术已经在微工程领域中得到广泛的应用。该技术通过-束低压、直径很小的水射流引导激光，激光束在水射流与空气交界面发生全反射从而被约束在水射流内。激光束被水射流引导至工件表面进行加工，在某种意义上来说，水射流类似传统的玻璃纤维。所以稳定水束光纤的生成是微水导激光技术的关键。微水导激光综合了激光加工与水射流加工的优点，使得加工无污染，无热影响，无毛刺和应力 l2 J。微水导激光中水射流属非淹没射流，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，射流将与周围空气发生动量、质量的交换和紊动扩散，随着离喷嘴出口的距离的增加，液滴将从射流中分离出来，连续的水束被分裂破碎成为形状各异的离散团 '4 J。破碎的水射流将破坏光在水束中的全反射条件，所以稳定水射流的形成是实现激光束与水束耦合的关键。

两相射流及其界面破碎的研究-直是流体力学所关注的问题。2003年，瑞士的 Frank Wagner等研究了水射流的稳定长度与喷嘴直径、水速的关系 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)；江苏势技成果转化专项基金资助项目(BA2010068)；江苏省高衅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毒[( 嘲- ps - y S!型0t 0x轴线位置将网格加密，纵向设置 1O个节点，其中AB段是喷嘴人口，即求解域的速度入 口，CD段(4) 为出口，设置出口边界条件为自由出流，图3为喷嘴射流流场网格的局部放大图。

毒( )筹]G· (G2C3 G6)-C2 T。 S。 (5)式中 G --平均速度梯度引起的湍动能G --由于浮力影响引起的湍动能yM--可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响or --湍动能散率对应的普朗特常数or --湍动耗散率对应的普朗特常数C。 、c 、C， --经验常数c1 、c2 、C3 、or 和or 取 Fluent中默认值，分别为 1.44、1.92、0.09、1.on 1.3。

4 计算模型4.1 几何模 型喷嘴的几何参数主要有喷嘴直径、长径比、入口和出口过渡形状及倒角半径、内表面粗糙度等，喷嘴的直径根据加工要求确定，在这里设定直径为 0.2mm。根据流体力学原理，-定压力的水射流从喷嘴口流出即形成射流，从孔口边缘形状及出流形状将孔口分为薄壁孔口和厚壁孔 口，厚壁孔口(长径比为2～4)具有较高的出流流量系数，对于厚壁孔口，如果孔口进 口边界是尖锐的，由于流线不能转折，射流会发生收缩 ，而这种现象对光与水束光纤的耦合是非常有利的，在本文中选择长径比为2.5。喷嘴结构模型如图 2所示，模型中喷嘴人口段直径 d：0.2mm，长度 Z0.5mm，出口段直径 d 5mm，长度 Z 200mm。

CD图2 喷嘴结构简模型4.2 网格划分利用 gambit对图2所示的喷嘴模型进行网格划分，网格类型采用四边形结构性网格，轴向设置2370个均布节点，纵向设置50个节点，在喷嘴图 3 网格局部放大4.3 边界条件及求解设置采用计算流体力学 Fluent软件，用有限体积法对控制方程进行离散，仿真过程采用如下参数：空气为标准大气压，密度 1.225kg/m。，动力粘度1.78Pa·s；水的密度 99.8kg/m ，动力粘度1.003Pa·s。求解器采用基于压力求解器，水和空气连续相采用多相流中的 VOF模型，涡粘方程采用标准 k-8方程，取k和s的值都为 1。定义空气为基本相，水为第二相。射流人口采用速度入口边界条件，设置 6种数值进行比较，分别是 50m/s、lOOm/s、200m/s、300m/s、400m/s和500m/s，方向为垂直进口。出口采用自由出流，方向垂直出口。

对得到的离散化方程采用基于交错网格的 PISO法求解关于原始变量速度矢量 和压力P的方程，设置好后对区域进行求解。

5 计算结果与分析5.1 喷嘴入口速度对射流稳定长度的影响图4为本文模拟仿真中6种速度人口的气液两相容积分数，可以看出，速度在 5O～200m/s时，形成的水束光纤稳定长度大约在70mm左右，随着速度的增加，稳定长度逐渐减小，而且射流对空气的卷吸作用增强，射流偏离轴线位置。

0 0.1 O.2图4 不同速度入口气液相图这是由于在射流速度较小时，扰动的最大增长率很小，扰动沿射流方向发展较慢，此时，扰动S S S S S 、 ； ， mmmmm瑾O O O O O O O O O O 0 5 l 2 3 4 5 l1 ll lI Il口FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013对破碎长度影响远小于射流速度对其影响，从而存在较长的射流破碎长度 f0(射流发生破碎点到喷嘴出 口之间的距离)。但随着射流速度的增加，最大扰动增长速率也将迅速的增大，当射流速度增大到-定值时，沿射流方向发展的扰动对破碎度的影响将大于射流速度对其影响，水射流的破碎长度将随射流速度的进-步增加而迅速减校水射流稳定长度z(能进行加工的最大工作长度)也遵循以上规律，如图5所示。在 Tecplot360中对射流相图进行放大观察，发现射流速度为200m/s时，可获得最大的破碎长度为 1 16mm。

从图中可以看出，稳定长度和破碎长度曲线规律- 致，且在同-速度条件下都有fn>z。

从图5中可以看出，喷嘴直径为 0.2mm时，速度在50～200m/s时，等速核段长度较长，约为75mm，这时等速核内射流轴心速度保持为喷嘴出口速度不变，随着速度的增加，等速核段长度逐渐减校速度为 50-200m/s时，液体表面张力对破碎起主要作用，扰动在液体表面形成了轴对称震荡波，在表面张力的作用下，震荡幅值不断增加，最终将液柱切断，破碎形式为瑞利破碎 。

当速度为300-500m/s时，液体与气体介质的相对运动增强了表面张力的作用，使得液体表面各点曲率发生变化，曲率的变化又使液柱内部产生不均匀的静压力分布(曲率半径大处压力小，曲(a) 50m/s(d) ：300m/s率半径小处压力大)，这种不均匀的压力分布迫使液体流向曲率半径大的地方，从而导致液柱的破碎，破碎形式为第-类风声破碎 引。

O.120O 30(1v(m/s1图5 速度与射流破碎长度 、稳定长度的关系曲线5.2 缩 流液体经平口喷嘴喷出后，存在 3种不同工作区，如图6所示 。单相区生成的水束光纤与喷嘴直径相同，这种射流状态对喷嘴壁质量要求高，喷嘴壁的缺陷会直接影响水束光纤的稳定性，空穴流呈发散状态，无法形成需要的水束光纤，缩流是生成水束光纤最理想的状态，光纤质量只受喷嘴片上表面入口边缘质量的影响，和喷嘴壁无关，根据经验，缩流后水射流直径约为喷嘴直径的80%。

(b) 100m/s(e)13400m/s图6 轴线位置速度曲线(c) 200m/s2013年第41卷第8期 流 体 机 械从图中可以清晰地看出，在 t0.27s时，工程塑料所对应的泵的进 口流线已经基本形成，泵内部流线基本稳定，而此时，铸铁，铝合金所对应泵的进口的流彻相对的紊乱，因此需要更长的时间达到稳定状态。

5 结论(1)泵的开机稳定时间与叶轮的转动惯量有关。因此，叶轮转动惯量的选择应根据实际的工作所需来确定，如当工况要求在很短的时间内，扬程和流量要达到-定的指标时，就要采用转动惯量相对小的叶轮；(2)采用 Flowmaster和 ANSYS相结合的方法能够方便有效地解决流体系统的工程实际问题，为以后相关问题的求解带来了便利。