王嘉凱，戴玉堂

(武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國(guó)家工程研究中心，湖北武漢 430070)

0 前言

近年來(lái)，微納結(jié)構(gòu)的加工成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，飛秒激光因具有加工熱影響區(qū)小、加工精度高、加工材料范圍廣、瞬時(shí)功率高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于微納加工領(lǐng)域。但是飛秒激光加工技術(shù)效率低下，加工過程中存在燒蝕熔體回落機(jī)制，使得加工面型質(zhì)量相對(duì)較差，同時(shí)加工區(qū)漂浮的等離子體團(tuán)和燒蝕熔體會(huì)阻擋分散激光能量，影響加工深度。

液流與激光復(fù)合加工技術(shù)能夠較好解決上述問題。2016年BAO等[1]采用1 064 nm的納秒激光進(jìn)行了水射流激光切割實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：水射流可以有效地將熔融物質(zhì)沖出加工區(qū)；2019年陳雪輝等[2]利用水射流輔助激光加工碳化硅，結(jié)果表明該技術(shù)對(duì)所得槽體的深度影響較大且熔渣和重凝層較少，明顯提高了加工質(zhì)量。此外，高頻振動(dòng)的引入能夠大大提高激光加工的加工效率和表面質(zhì)量，目前利用超聲換能器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，并通過水介質(zhì)將能量傳遞給工件是一種較為常見的手段。利用射流作為波導(dǎo)傳遞振動(dòng)能量可作為一種新的技術(shù)手段，在切削/磨削加工領(lǐng)域，胡炳群[3]提出了“Megasonic Coolant (MSC)”方法，將兆赫茲頻帶的超聲波振動(dòng)疊加在加工液上，設(shè)計(jì)了超聲射流噴嘴。但液流輔助激光加工仍存在很多問題，比如激光能量在水束中傳導(dǎo)時(shí)衰減嚴(yán)重，水流難以突破18 μm狹縫屏障對(duì)加工深處進(jìn)行沖洗，液流對(duì)加工環(huán)境造成的污染也不可忽視。

在以上研究基礎(chǔ)上，本文作者提出一種高頻脈動(dòng)氣體射流系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣泵、調(diào)壓閥、電磁閥、高頻開關(guān)電源、射流噴頭、可調(diào)節(jié)支架組成。依據(jù)射流開關(guān)原理，利用Fluent仿真軟件，設(shè)計(jì)一種能夠產(chǎn)生高頻脈動(dòng)空氣射流的噴頭，探究多項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流開關(guān)轉(zhuǎn)換特性及外部流場(chǎng)的影響，總結(jié)規(guī)律并根據(jù)結(jié)果對(duì)噴頭進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)后續(xù)的雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的設(shè)計(jì)有一定參考意義。

1 雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)原理

射流開關(guān)是一種射流放大器，依據(jù)科恩達(dá)效應(yīng)設(shè)計(jì)，主射流離開噴嘴后會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)并逐漸沿著其中一個(gè)壁面流動(dòng)，同時(shí)在控制流的作用下，主射流能夠發(fā)生偏轉(zhuǎn)附著到另一側(cè)壁面。在此原理基礎(chǔ)上，射流放大器發(fā)展出了射流振蕩器、射流二極管、射流開關(guān)等結(jié)構(gòu)[6]。

雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)通過調(diào)節(jié)2個(gè)控制端口(C1、C2)的質(zhì)量流，實(shí)現(xiàn)主射流在2個(gè)出口(O1、O2)之間快速切換，該噴頭的工作原理如圖1所示。由于此研究只關(guān)注一個(gè)出口，因此將O2流出狀態(tài)定義為開啟狀態(tài)，O1流出狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)切換原理

從控制壓力改變至達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)為主射流的切換時(shí)間，其主要由射流開關(guān)的尺寸結(jié)構(gòu)和控制壓力所決定[6]。射流開關(guān)能夠快速切換射流狀態(tài)，因此可以用作脈動(dòng)射流噴頭。主射流進(jìn)入環(huán)境空氣的過程可以等效為一個(gè)聲學(xué)點(diǎn)質(zhì)量源，該聲源在時(shí)間t處的壓力可表示為

(1)

依據(jù)以上原理，文中設(shè)計(jì)的高頻脈動(dòng)氣體射流裝置如圖2所示。

圖2 高頻脈動(dòng)氣體射流裝置

2 基本結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬

2.1 噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射流噴頭由底板和蓋板兩部分組成，底板上設(shè)置流道結(jié)構(gòu)。流道的主要結(jié)構(gòu)包括主流道、控制流道、輸出流道、主流噴嘴、分流劈等，如圖3所示。

圖3 噴頭基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)主要作用為控制流體流向，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則上更偏重于主射流附壁的穩(wěn)定性以及減少能量損失。將該結(jié)構(gòu)引入飛秒激光輔助加工系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足的條件有所變化：射流噴頭要能夠產(chǎn)生高速、集中、均勻的外部流場(chǎng)，同時(shí)射流需要攜帶盡可能高頻高振幅的振動(dòng)。因此激光加工用高頻脈動(dòng)射流開關(guān)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化原則為改善射流結(jié)構(gòu)、增大沖擊性、縮短切換時(shí)間。

基于以上條件，將射流開關(guān)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)：出口寬度需要與流道深度一致以保證外部流場(chǎng)的均勻集中；將下輸出流道向外彎折，使其出口與上輸出流道出口呈垂直狀態(tài)，以保證射流噴頭產(chǎn)生的流場(chǎng)和振幅不受干擾。因此在設(shè)計(jì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸時(shí)，需要以上出口寬度D作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)尺寸，綜合考慮實(shí)驗(yàn)條件和噴頭加工條件，將出口寬度D初步設(shè)定為1 mm，流道深度為1 mm。

2.2 數(shù)值模擬

對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行三維仿真，使用ANSYS 15.0對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4所示。此研究基于可壓縮超聲速雷諾平均Navier-Stokes(RANS)模型[15]，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Fluent建立計(jì)算模型并求解。取流體材料為20 ℃的空氣。在選取湍流模型時(shí)考慮了κ-ε模型和SSTκ-ω模型。κ-ω帶有壁函數(shù)，不需要阻尼函數(shù)，能夠處理存在逆壓梯度的流動(dòng)，能更精確處理近壁區(qū)域[16]；而SSTκ-ω模型合并了κ-ε和κ-ω2種模式，這使得SSTκ-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)κ-ω模型在廣泛的流動(dòng)領(lǐng)域中有更高的精度和可信度。此研究最終選取了SSTκ-ω模型。

圖4 網(wǎng)格劃分剖面圖

雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)最小切換流量約為主流量的30%，因此控制入口邊界條件常設(shè)置為速度入口或質(zhì)量流入口。但結(jié)合此研究實(shí)際情況，入口邊界全部設(shè)為壓力入口，入口S與C2設(shè)置恒定壓力分別為0.3、0.2 MPa，使用UDF文件控制C1壓力在零與0.26 MPa之間切換，出口邊界為壓力出口，表壓力為零，目的在于為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供更精確的參考。對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真求解，時(shí)間步長(zhǎng)取1×10-5s。

基于噴頭內(nèi)部流場(chǎng)切換時(shí)間和外部流場(chǎng)狀態(tài)對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)律探索。描述切換時(shí)間的方法目前主要有2種：(1)將輸出流道的壓力變化作為切換時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；(2)將流道外壁再循環(huán)氣泡處局部剪應(yīng)力變化作為切換時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。由于此研究所設(shè)計(jì)噴嘴用于產(chǎn)生高頻振動(dòng)，基于壓力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)顯然是最合適的選擇，因此選取流道內(nèi)距離上出口10 mm處的點(diǎn)作為探針，研究該點(diǎn)處在切換過程中的壓力變化。另外，對(duì)外部流場(chǎng)的狀態(tài)描述主要從出口速度方面進(jìn)行評(píng)估。

3 仿真與結(jié)果分析

采用正交試驗(yàn)法對(duì)側(cè)壁傾角、控制流道、分流劈、主流道和主流噴嘴相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，表1表述了此研究中采用的各項(xiàng)參數(shù)。其中，基準(zhǔn)值為側(cè)壁傾角12°，控制流道寬度劈距0.5 mm，主流噴嘴寬度8 mm，主流道寬度0.8 mm。

表1 仿真參數(shù)變化

3.1 開關(guān)轉(zhuǎn)換行為

采用各參數(shù)的基準(zhǔn)值，探究了射流的轉(zhuǎn)換行為。從圖5可以看到附壁射流切換的全過程，由于科恩達(dá)效應(yīng)，射流沿其中一個(gè)壁穩(wěn)定流動(dòng)，分流劈處存在一個(gè)較大的漩渦能夠幫助穩(wěn)定射流狀態(tài)(t=0.00 ms)；當(dāng)從下方施加控制流時(shí)，主射流脫離穩(wěn)定狀態(tài)，靠近控制流道出口處的主射流從壁上分離，同時(shí)在分離處形成一個(gè)漩渦，稱作再循環(huán)氣泡(t=0.05 ms)；隨時(shí)間推移，再循環(huán)氣泡持續(xù)增大，同時(shí)主射流在接觸到另一側(cè)壁后由于科恩達(dá)效應(yīng)會(huì)逐漸吸附(t=0.10 ms)；最后主射流完全吸附于另一側(cè)壁，分流劈處重新形成穩(wěn)定漩渦(t=0.40 ms)。

圖5 射流切換過程

3.2 切換時(shí)間

首先研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流切換時(shí)間的影響，結(jié)果顯示控制流道寬度與劈距對(duì)切換時(shí)間的影響最為明顯?？刂屏鞯缹挾仍黾樱瑝毫吔鐥l件下表示控制流量增加，切換時(shí)間縮短(圖6(a))。探究控制流道寬度影響的同時(shí)，也探究了控制流道入射角度的影響。設(shè)置控制流道與輸出流道呈90°作為基準(zhǔn)參數(shù)，記作流道角度2；另設(shè)置兩流道夾角為78°(即控制流道與主流道垂直)作為對(duì)照參數(shù)，記作流道角度1，由仿真結(jié)果看出在控制流道寬度大于0.5 mm以后，流道角度對(duì)切換時(shí)間幾乎沒有影響。劈距對(duì)切換時(shí)間的影響較大，H>8 mm時(shí)切換時(shí)間顯著增大(圖6(b))，分析其原因?yàn)榕噙^大時(shí)，結(jié)構(gòu)腔體增大，內(nèi)部流動(dòng)情況變得更加復(fù)雜，分流劈處渦流消散過程更久且重新形成穩(wěn)定渦流的時(shí)間也更長(zhǎng)，導(dǎo)致切換時(shí)間變長(zhǎng)(圖7)。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)切換時(shí)間的影響

圖7 切換過程對(duì)比

3.3 壓力振幅

圖8展示了輸出壓力探針得到的壓力變化結(jié)果，可以看到：在關(guān)閉或開啟時(shí)刻到壓力重新穩(wěn)定過程中，壓力會(huì)出現(xiàn)震蕩，且分別存在一個(gè)明顯的壓力振動(dòng)峰值。因此推斷，雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)結(jié)構(gòu)除了由高頻啟閉產(chǎn)生壓力沖擊外，在開啟和關(guān)閉的切換過程中，射流能夠產(chǎn)生更高頻率的壓力振動(dòng)。因此研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力振動(dòng)峰值的影響，結(jié)果顯示側(cè)壁傾角和主流噴嘴寬度是影響振幅的主要因素。

圖8 輸出壓力變化

隨著側(cè)壁傾角增大，壓力峰值在降低，但對(duì)開啟壓力峰值的影響比較小，關(guān)閉壓力峰值隨傾角增大會(huì)明顯降低(圖9(a))；主流噴嘴寬度增大時(shí)，腔體內(nèi)部靜壓增大，振動(dòng)減弱，開啟和關(guān)閉的壓力峰值所受影響基本相同(圖9(b))。分析傾角對(duì)壓力峰值影響的具體原因在于，傾角增大導(dǎo)致內(nèi)部腔體增大，內(nèi)部壓力梯度減小，振動(dòng)減弱(圖10)。

圖9 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力峰值的影響

圖10 內(nèi)部靜壓

3.4 外部流場(chǎng)

最后對(duì)該結(jié)構(gòu)的外部流場(chǎng)進(jìn)行分析，在設(shè)置基準(zhǔn)參數(shù)的情況下，噴嘴出口處的流場(chǎng)流速橫截面如圖11(a)所示，能夠看到流速在出口處比較均勻，最大速度集中在截面中心，且能達(dá)到530 m/s。圖11(b)展示了射流離開噴嘴5 mm后的截面形貌，附壁結(jié)構(gòu)要求流道需為方形，通過仿真發(fā)現(xiàn)方形噴口依然能夠發(fā)展出標(biāo)準(zhǔn)的圓柱射流。

圖11 出口流場(chǎng)流速

此外，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出口5 mm處的射流速度的影響，發(fā)現(xiàn)主流道寬度和控制流道寬度及角度是影響出口速度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。仿真結(jié)果顯示，主流道寬度與出口速度顯示出線性正相關(guān)的關(guān)系(圖12(a))，壓力邊界條件不變的情況下，主流道寬度增加引起主射流流量的增加，直接影響著射流速度?？刂屏鞯琅c輸出流道垂直時(shí)，由于控制流量與主流量夾角較小，能量損失較小，出口速度較高；控制流道寬度增加，出口速度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)(圖12(b))。圖13展示了不同寬度控制流道內(nèi)的流線：在B<0.7 mm時(shí)，控制流道寬度增加使得主射流流量增加，出口速度增大；當(dāng)B>0.7 mm后，流道內(nèi)逐漸形成較大渦流，一部分主射流被吸入控制流道造成能量消耗，導(dǎo)致其速度減慢。

圖12 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出口速度的影響

圖13 控制流道流線

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)一種基于雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的飛秒激光輔助加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)將氣體射流的吹散作用與高頻振動(dòng)的沖擊作用相耦合以改善加工形貌及提高加工深度。運(yùn)用CFD方法，探究了雙穩(wěn)態(tài)射流噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換特性及外部流場(chǎng)的影響規(guī)律，仿真結(jié)果表明：控制流道寬度與劈距對(duì)切換時(shí)間的影響最為明顯，側(cè)壁傾角和主流噴嘴寬度是影響振幅的主要因素，主流道寬度和控制流道寬度及角度是影響出口速度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。此研究對(duì)雙穩(wěn)態(tài)射流開關(guān)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有一定參考意義。