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激光切割中的简易超音速喷嘴辅助气体流场分析与结构优化
激光切割中的简易超音速喷嘴辅助气体流场分析与结构优化
第27卷第5期
2007年1O月
应用激光
APPLlEDLAsER
Vo1.27,No.5
October2007
激光切割中的简易超音速喷嘴辅助气体流场
分析与结构优化*
郭绍刚,胡俊,罗磊,徐正松,姚振强
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)
提要分析了激光切割的简易折线结构超音速喷嘴辅助气体射流场结构与喷嘴喉部转角的关系,以及发散段长度对流场状
态参数的影响规律,通过合理规划发散段直线的长度,使简易折线结构的超音速喷嘴能够获得均匀的流场结构与最佳的动力
学特性.最后仿真结果验证优化后的喷嘴可以获得合理辅助气体出口参数与动力学性能良好的射流场结构.
关键词超音速喷嘴;喉部;射流场;动力学特性
AnalysisofAssistGasGlowandtheStructuralOptimizingforSimpleSupersonicNozzleinLaserFusionCutting
GuoShaogang,Hujun,Luolei,Xuzhengsong,YaoZhenqiang
(SchoolofMechanicalandPowerEnergyEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)
AbstractArelationshipbetweenthestructureofjetflowandtheturninganglethroatsectionisanalyzed,andtheinfluenceof
thelengthofdivergencesectiononstateparametersofjetflowisstudiedforsimplecurvedsupersonicnozzle.Thelengthofdi—
vergencesectionaredesignedreasonablytOimprovethissupersonicnozzle.Theuniformflowandtheoptimumdynamiccharac—
teristiccanbeobtainedbyusingtheimprovedsupersonicnozzle.Thenumerica1resultsshowthattheimprovednozzlecanob—
tainthejetflowwithreasonableoutletparametersandgooddynamiccharacteristicfinally.
KeywordsSupersonicnozzle;throatsection;jetflow;dynamiccharacteristic
l引言
喷嘴作为激光束和辅助气体的排出通道,是实
现激光切割的重要部件,只有在少数情况下激光束
和辅助气体彼此分离_】],喷嘴只担负排出辅助气
体.激光切割过程的实现是高能激光束与辅助气体
相互作用的结果,一方面高能光束使加工材料熔化
甚至气化,另一方面辅助气体把熔融金属和部分热
量从切口中排出去.合理的辅助气体类型与流场不
仅能提高加工能力,而且使热影响区限制在一个很
小的范围内,保证了良好加工质量.因此用于激光
切割的喷嘴不仅要求能够承载较高的气体压力,而
且要求气体压力能全部转化为气体的动能.
常用的喷嘴结构主要有锥形,平行和收敛三种,
如图1所示.从喷嘴内流结构看,这些喷嘴都属于
亚音速和跨音速喷嘴,喷射气体的出口速度低于声
速.当这种类型的喷嘴气体出口速度达到声速后,
增加辅助气体人口压力,不仅不会引起出口速度升
高,而且会使喷嘴出口射流场产生激波结构.
(a】平行(b)收敛(c)锥形
图1常用喷嘴
Fig.1Commonlycuttingnozzles
(a)parallel(b)convergent(c)conical
由于此时出口压力常常大于环境压力,出口气体将
发生膨胀和加速,气体的膨胀不仅使湍流变得越发
紊乱,而且会使加速后的气流与自由边界发生强烈
的相互作用,形成较强的压缩波,产生斜激波和正激
基金项目:上海市科学技术发展基金光科技重大专项(05DZ22003),上海市科学技术发展基金登山计划(06DZ11418)
收稿日期:2007—07一l7
?--——
403?--——
波,激波实际上流场中的强间断,使流场产生间歇的
密度波.这种强间断会使气体的速度急剧降低,压
力急剧上升,产生大量的热,至使高压辅助气体的压
力能不断转化为有效的动能.气体速度的降低,动
量锐减,严重弱化切口中的剪切作用场,而且流场的
间断也会影响切口侧面的加工质量.更严重的影响
是这种间歇的密度波会使激光束产生再聚焦,甚至
会使光束发散.
随着激光切割板
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