喷丸强化过程的有限元和离散元模拟

利用有限元法建立喷丸强化过程中单/多颗弹丸连续撞击靶材的数值分析模型,对于单弹丸撞击情况,探讨了弹丸参数(速度和角度)对靶材中残余应力场的影响,对于双弹丸连续撞击情况,探讨了第二颗弹丸速度对靶材中残余应力场的影响;建立了模拟喷丸强化过程的三维离散元模型并进行了数值试验研究,分析了喷丸强化过程的工艺参数(质量流速、初始速度、喷嘴攻角等)对颗粒流中弹丸间相互碰撞的影响;结合有限元和离散元计算结果,提出对喷丸强化工艺参数进行优化控制,提高喷丸强化的加工工艺水平,以实现更好的强化效果.     

前混合水射流多弹丸喷丸模型及残余应力场的数值模拟

针对前混合水射流的液固湍动特性与喷丸过程多重非线性耦合作用行为,提供一种射流喷丸强化残余应力场的有限元分析法。采用液固两相流动理论与计算流体动力学方法分析喷嘴内流特性,建立射流多弹丸喷丸模型;基于弹丸速度冲击载荷加载制度,利用多线性各向同性强化弹塑性模型,应用动态接触对称罚函数法,运用ABAQUS软件模拟不同弹丸数量作用下射流喷丸在45钢材料表层产生的残余应力场,获得残余应力场的分布规律及残余应力沿深度的变化规律;得出射流喷嘴内流呈均质流流型,不同弹丸数量射流喷丸在材料表层产生的径向残余应力沿深度的变化规律相同,但在材料表面产生的径向残余压应力值受喷丸模型影响较大,对弹丸分三层排列、相邻弹丸之间径向和周向中心距离均为弹丸半径的多弹丸喷丸模型,数值模拟获得的表面径向残余压应力值与射流喷丸试验数据基本吻合。     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

近球壁射流空泡溃灭对微细颗粒破碎效果的影响

为有效解决大规模机械粉体制备中存在的微细颗粒团聚和粉磨极限等问题,采用了空化射流冲击结合磨介研磨的微细颗粒制备方法,并对近球壁空化射流有效冲击破碎颗粒开展了研究。理论分析了近球壁空泡溃灭对微细颗粒的冲击特性,得出了颗粒冲击破碎的有效量纲一距离及临界空泡最大半径;通过空化射流冲击球壁的数值模拟仿真,分析了喷嘴入口压力和靶距对近球壁空泡分布的影响。为验证理论与数值分析结果,开展了基于靶距、转速率、颗粒质量分数和喷嘴数目等多因素的石英砂球磨空化破碎对比实验,实验结果与理论和数值分析结果吻合良好,验证了此方法的有效性。研究结果表明:空化冲击结合磨介研磨微细颗粒的破碎率比单一研磨微细颗粒的破碎率更高;在空化射流入口压力5 MPa下,靶距和转速率是石英砂微细颗粒破碎效果的主要影响因素,其次是喷嘴数目。     

风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响试验研究

风琴管自振空化喷嘴因兼具空化射流与脉冲射流的优点而被广泛使用。为探究大雷诺数下风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响,从而提高喷嘴作业效率。在理论分析紊流特性与表面粗糙度关系的基础上,通过试验探究了风琴管喷嘴内表面粗糙度对射流轴心压力脉动与扩散角的影响规律。试验结果表明,入口压力越大,粗糙度对射流的扩散角、轴心压力脉动峰值、压力脉动幅度的影响程度越大;对某一入口压力,存在一对应起始粗糙度值使得扩散角快速增大,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值急剧衰减;且入口压力一定时,存在一临界粗糙度值,粗糙度小于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而先增大后减小;粗糙度大于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而减小。根据试验数据,运用能量守恒定理,建立了射流轴心压力脉动峰值随表面粗糙度、入口压力、靶距变化关系的初步数学模型。     

接触网绝缘子带电水冲洗的关键参数研究

为了研究接触网绝缘子带电水冲洗过程中喷嘴入口压力、喷嘴出口直径、风速等关键参数的影响,采用CFD软件Fluent进行气液两相流仿真,对比分析不同参数对水冲洗效果及安全性的影响。结果表明：入口压力是影响水射流速度的关键参数,出口直径是影响水射流水气比的关键参数;入口压力、出口直径、风速等参数都会影响水射流的直线性能及冲洗效果,尽量在风速低于2.5m/s或无风环境下进行冲洗作业,且尽量增加喷嘴入口压力以及选择直径较大的喷嘴;得到了喷嘴直径、射流距离与水气比的关系,为不同水冲洗情况下的喷嘴直径选择提供了参考。     

空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究

空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。     

基于正交试验法的铝合金车体高压水清洗喷嘴结构优化

抑尘剂等复杂的化合物黏着在铝合金车体上,导致车体污染十分严重,高压水射流清洗方法能够有效去除铝合金车辆车体表面黏着的化合物。通过分析圆柱形、锥形、文丘里形和余弦形喷嘴的射流流场分布、射流出口速度、最大壁面静压、相同清洗宽度下压力值范围,得到余弦形喷嘴的清洗性能最佳,锥形喷嘴次之。基于正交试验法设计五因素、四水平正交试验表,得到常用清洗压力下余弦形喷嘴的最优结构参数：进口直径为40 mm、出口直径为20 mm、过渡段半径为40 mm、出射段长度为25 mm、过渡与余弦部分长度比为4。按照最优喷嘴结构参数进行建模,得到三组压力值下高压水出射速度比未优化前提高了2%,且优化效果随着入口压力值的提高而有所下降。在优化后的喷嘴结构参数下进一步计算得出入口压力为10 MPa时,靶距设置为250 mm能达到较好的清洗效果和节能作用。     

空气雾化喷嘴对胶雾化效果的模拟研究

通过仿真软件Fluent研究空气雾化喷嘴对聚氨酯胶的雾化效果,选择喷嘴的混合区和喷嘴出口下游的雾化区为计算区域,对计算区域的气相流场、两相流流场分别进行模拟,得到不同气相进口速度下计算区域的速度场、压力场的变化规律,胶滴达到较好雾化状态时的时间,以及胶滴在啧嘴出口下游不同距离截面上粒径百分数分布情况;同时分析了不同气相...     

喷丸三维残余应力场的有限元模拟

运用大型有限元计算软件ABAQUS建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型,预测了在相同喷丸强度下玻璃丸和钢丸两种类型弹丸喷射所产生的残余应力场。模拟过程中,分析了线性减缩积分单元的沙漏参数、材料的应变硬化率、喷丸覆盖率以及初始残余拉应力等因素对304不锈钢靶材残余应力分布的影响。从计算结果可以看出,钢丸喷丸产生的残余压应力层较深,但在高覆盖率时,玻璃喷丸产生的残余压应力的平均值比钢丸喷丸处理后产生的大。在有初始残余拉应力(250 Mpa)存在的情况下,两种类型的喷丸处理均能使304不锈钢靶材表面形成残余压应力层,这说明喷丸工艺可以提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力。本研究成果为进一步探讨喷丸强化不锈钢焊接头抗应力腐蚀性能的机理奠定了基础。     

基于高速摄像与PIV技术的喷丸丸粒运动特征研究

喷丸作为一种重要的金属表面机械处理工艺，其加工质量与固体丸粒在高速气流作用下的运动规律密切相关。探究一种精确可行的喷丸丸粒速度测量方法，明确喷丸丸粒流的空间散射特征和速度场分布特征，对于优化喷丸工艺参数至关重要。基于高速摄像机，搭建了喷丸丸粒运动高速图像数据采集系统，捕捉喷丸中丸粒的瞬时空间位置变化特征。采用Photoshop图像处理软件对采集的照片进行预处理，获得具有高对比度的丸粒流黑白二值化图片。使用开源的粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)软件PIVLab对丸粒流图像进行数据处理，获得喷丸丸粒流的速度场结果。结果表明，在喷气压力为0.4 MPa,采用0.4 mm铸钢丸粒条件下，丸粒流的散射锥体倾角为10°,丸粒最大运动速度约为46.5 m/s。在不同的空间截面上，丸粒运动速度呈现高斯分布特征，且其标准差随丸粒与喷嘴之间的距离增大而增大。丸粒在离开喷嘴后速度迅速增长至稳定值，速度变化符合Logistic函数特征。与经验公式相比，所得到的丸粒速度场分布公式更加准确，且能体现丸粒的空间分布特征。     

撞击型雾化喷嘴流量特性及喷雾降温性能试验研究

针对空冷机组在夏季高温天气不能满发的问题,采用喷雾增湿以降低入口空气的干球温度,选用撞击型雾化喷嘴AM4进行流量特性及喷雾降温特性的实验研究。分析试验数据拟合得到撞击型喷嘴流量与喷雾压力的关系,并计算得出喷嘴的流量系数。通过对不同类型喷嘴组合喷雾降温效果的比较,得到加入1排AM4有利于冷却效果的提高;加入两排AM4的喷雾降温效果并没有明显提高,且由于撞击式喷嘴价格较高,加入两排AM4的经济性较差。     

组孔式喷嘴雾化与蒸发特性研究

采用KIVA-3软件对收缩型喷孔、平行型喷孔和扩张型喷孔三种组孔式喷嘴在柴油机缸内条件下的雾化与蒸发特性进行了多参数模拟研究。模拟结果表明,与传统喷嘴相比,三种组孔式喷嘴喷雾空间变大,喷雾贯穿距离更长,燃油蒸发量减少,三种组孔式喷嘴燃油蒸发相差很小。组孔喷雾贯穿距离比单喷孔大,主要是由于组孔式喷嘴的油束碰撞从而使得油滴直径增加所致。与平行型组孔喷嘴相比,收缩型和扩张型组孔喷嘴的燃油分布区域更广。发动机缸内初始压力和初始温度对组孔喷嘴蒸发影响不大。     

超高压水射流盘式清洗装置工作效率试验研究

利用高速水射流的冲击动能,可以实现钢制结构表面除漆除锈的目的。通过理论分析并计算出影响清洗效率的主要参数的最优值,采用试验分析方法验证喷嘴孔径、单喷嘴靶距、射流压力等清洗参数的优选结果。根据最优清洗参数,进行清洗盘行进速度与压力对清洗效果的影响的试验;研究清洗盘工作时喷嘴的运动,提出一种清洗盘喷嘴布置结构设计,以及一种新型清洗盘工作的运动方式。     

纳米石墨片微粉喷射成型工艺数值模拟

微粉喷射成型法具有成型效率高、对微粉落点精确可控等优点,有望成为纳米石墨片器件制备新方法。文章利用计算流体力学分析软件对纳米石墨片微喷射成型过程中的射流流场进行数值模拟分析,对比研究了入口压力、喷射距离、送粉量等工艺参数对纳米石墨片微粒加速行为的影响,揭示了纳米石墨片在基体中分布规律。结果表明:入口压力和喷射距离越大,粒子在基体上分布范围越大,而送粉量对粒子的分布范围没有实质性影响,并通过实例验证了微喷射成型工艺的可行性。     

摆线针轮传动接触乏油润滑特性分析

摆线针轮行星传动啮合过程中供油量变化影响传动效率和接触疲劳特性。引入部分油膜厚度比例,以入口油膜厚度来表征乏油程度,建立摆线针轮有限长线接触乏油润滑数值模型,研究在齿宽方向上入口油膜厚度不均匀分布对压力和膜厚分布的影响。结果表明:乏油条件下,随着入口供油量增加,入口油膜厚度的不均匀分布对齿宽方向上的压力和膜厚分布的影响减小;随着速度的增加,齿宽方向压力和膜厚分布受入口油膜厚度不均匀分布的影响增加;随着载荷的增加,齿宽方向压力和膜厚分布受入口油膜厚度不均匀分布的影响程度减小。     

基于内外流场关联的喷嘴仿真及实验研究

针对喷嘴两级雾化之间的内部关联问题,以十字旋芯喷嘴为研究对象,对其雾滴分布特性进行了实验和仿真计算研究。首先,介绍了十字旋芯喷嘴的二维结构;然后,基于Realizable k-ε湍流模型和Pressure-swirl-atomizer雾化模型,采用Fluent软件对螺旋倾角为30°、腔体直径为6 mm、压力为4 MPa～6 MPa的喷嘴内外流场进行了仿真分析,研究了螺旋倾角大小对雾化效果的影响;最后,搭建了喷嘴雾化性能实验系统平台,用DP-02滴谱仪测得了雾化粒径分布,结合实验数据验证了仿真方法的合理性。研究结果表明：选取内流域出口流速最大值作为计算外流域入口条件更符合实际情况;随着螺旋角增大,粒径在0μm～20μm的雾滴占比越来越大,粒径在60μm～80μm的雾滴占比越来越小,该结果可以为十字旋芯喷嘴的选择提供参考。     

医用射流锥直型喷嘴流动特性仿真研究

目前,国内关于医用水刀技术方面的研究逐渐增多,但针对医用水刀喷嘴进行研究的占少数。在此背景下,探究了医用水刀喷嘴不同结构对水射流能量损耗方面的影响,并使用Fluent仿真软件对不同锥角、不同压力下的锥直型水刀喷嘴喷射出的生理盐水进行流场分析。结果表明:锥直型结构喷嘴更适合应用于医用水刀,当锥直型喷嘴的锥角为30°时,喷嘴射流动压最为稳定,能量损失少;高速流区域随水刀入口压力的增大而增大,因此在手术允许范围内选取较高的入口压力可以提高水刀性能,更好地完成手术任务。     

工艺参数对TC4钛合金喷丸强化影响的仿真分析

利用有限元法针对TC4钛合金的喷丸强化过程,建立了数值模型。首先,运用Abaqus建立的TC4钛合金喷丸强化的有限元模型,分别计算喷丸速度分别为40、60、80、100 m/s的模型,结果表明：当喷丸速度逐渐增大的过程中,表面残余应力,最大残余压应力和残余压应力层厚度都逐渐增大;其次,建立的TC4钛合金喷丸强化的有限元模型,分别计算了垂直入射、入射角为10°和入射角为20°的模型,结果表明：随着入射角的增大,靶材的表面粗糙度并没有显著变化,但对残余压应力的影响不可忽视,主要体现在最大残余应力由607.3 MPa逐渐减小为504.4 MPa,降幅20.4%,残余压应力层的厚度由158.5μm降低到145.2μm,降幅8.4%。入射角度控制在0～10°之间最合适时可以使得喷丸强化效果最优。     

微乳化生物质燃油在喷嘴内部的空化流动特性

运用混合均相流模型加完全空化模型对微乳化生物质燃油在喷嘴内部的空化流动特性进行数值模拟研究,并结合WINKLHOFER的试验验证所选模型的合理性.研究尖角入口和圆角入口两种喷嘴反应入口形状对微乳化生物质燃油在喷嘴内部空化流动特性的影响,同时将结果与0号柴油进行对比.引入量纲一参数雷诺数(Re),空化参数(K),韦伯数(We),流量系数(Cd)等分析喷嘴的内部流动特性.结果表明,空化发生后,燃油的出流质量流量,量纲一参数的变化规律和出口截面的速度分布均与空化前不同;相比于柴油,微乳化生物质燃油开始空化和达到超空化需要较高的喷射压力;喷嘴入口圆角的存在削弱了空化,不利于出口燃油的喷雾.此外,所选模型预测的结果也与Nurick理论关系式吻合较好.