CN114297790A - 一种基于cfd的喷嘴性能评估方法、计算机及可读存储介质 - Google Patents

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CN114297790A CN202111480296.8A CN202111480296A CN114297790A CN 114297790 A CN114297790 A CN 114297790A CN 202111480296 A CN202111480296 A CN 202111480296A CN 114297790 A CN114297790 A CN 114297790A
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杨绪广
马驰
胡长宏
张钦溟
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Abstract

本发明提供一种基于CFD的喷嘴性能评估方法、计算机及可读存储介质,建立喷嘴在切割工况下的待评估三维模型;将待评估三维模型导入CFD软件中,生成流体域模型,并进行网格划分;将喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分;在流体域模型中设置压力流量数据,模拟计算出切割工况下的流场分布情况;从流场中抓取预设比对参数,与参考三维模型的相关参数进行比对,判定待评估喷嘴的性能;改变喷嘴结构。评估方法不仅提高开发效率,节约开发成本,还有助于对喷嘴的优化和设计,避免使用后切割效果不能满足需求的情况。本发明还可以根据模拟工况需要,将入口的边界条件的压力大小设置成多种情况,并进行综合对比不同切割工况下,提升喷嘴的性能。

Description

一种基于CFD的喷嘴性能评估方法、计算机及可读存储介质
技术领域
本发明涉及激光切割的喷嘴技术领域,尤其涉及一种基于CFD的喷嘴性能评估方法、计算机及可读存储介质。
背景技术
激光切割是使用激光光束将金属材料融化,切割过程中的气体把熔融的金属和一部分的热量从割缝中排除。喷嘴激光切割的重要部件,喷嘴的主要作用是激光光束和气体排出的通道。喷嘴结构性能影响着激光切割的质量,保证良好的加工质量和效率。
现在激光切割行业,各大激光切割机设备生产制造厂家绝大部分用的喷嘴为锥形喷嘴和凹槽喷嘴,现有的实际需求希望改变喷嘴结构,优化出口气体流场,进而来优化切割效率。
目前在进行喷嘴设计时,通常采用实验方法,就是设计并计算出不同喷嘴结构,并制成样品在实际工况中进行试用,判断是否满足实际生产需要。采用这种方式不仅设计效率低,开发周期长,成本高,而且有时还无法达到工况要求,无法实现预期的切割效果。
发明内容
本发明提供一种基于CFD的喷嘴性能评估方法,通过CFD模拟计算得到实际工况下的喷嘴气体流场状况,进而开发出满足工况要求的喷嘴,提高开发效率,节约开发成本。
方法包括:
步骤一、建立喷嘴在切割工况下的待评估三维模型;
步骤二、将待评估三维模型导入CFD软件中,生成流体域模型,并进行网格划分;
步骤三、将喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分;
步骤四、在流体域模型中设置压力流量数据,模拟计算出切割工况下的流场分布情况;
步骤五、从流场中抓取预设比对参数,与参考三维模型的相关参数进行比对,判定待评估喷嘴的性能;
步骤六、改变喷嘴结构,导入待评估三维模型,重复执行步骤二至五,判定不同结构形式下的喷嘴性能。
优选地,步骤一中建立的待评估三维模型是基于激光切割时喷嘴与钢板割缝之间的三维模型;
待评估三维模型参数包括:配置与实际切割工况下的等比例喷嘴,喷嘴和钢板之间的距离,钢板的尺寸,钢板割缝的宽度和深度以及割缝的倾斜度。
优选地,步骤一在建立喷嘴切割的三维图时,建立喷嘴内腔的流道封闭三维模型。
优选地,步骤三还包括:对喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分,且切割割缝内壁的第一层边界层高度小于8*10-7米。
优选地,步骤三中,待评估三维模型的喷嘴入口收敛段角度设置为60°,中间为平稳过渡段,扩散段的长度为4.5mm,扩散角为10°。
优选地,步骤四还包括将CFD软件网格的skness最大数值配置在0.85以下,设置多个进口压力流量边界,且出口压力设置为0;
模拟算出多个进口的压力值,并计算出割缝壁面的切应力,进入割缝的气体流量,喷嘴出口气体的速度以及湍流强度随时间的变化值。
优选地,从流场中抓取的预设比对参数包括:割缝壁面的切应力,割缝的气体流量,喷嘴出口的速度和湍流强度大小。
优选地,使用KW-sst湍流模型作为封闭切割流体域的流场方程;
气体选择氮气或者氧气。
本发明还提供一种实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的计算机,包括:
存储器,用于存储计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法;
处理器,用于执行所述计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法,以实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
本发明还提供一种具有基于CFD的喷嘴性能评估方法的可读存储介质,可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行以实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
从以上技术方案可以看出,本发明具有以下优点:
本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法在加工或设计前,对喷嘴的性能进行一个快速量化的评估,不仅提高开发效率,节约开发成本,还有助于对喷嘴的优化和设计,避免盲目设计喷嘴并进行测试,切割效果不能达到预期需求水平的情况。
本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法只需在开发初期使用图纸就可以完成,避免了现有技术中为了测试喷嘴的切割性能,必须将喷嘴制造出来并进行测试,造成人力物力的浪费,还延长了研发周期,所以本方法大大提高了开发效率,节约成本。
本发明将待评估三维模型的喷嘴入口收敛段角度设置为60°,中间为平稳过渡段,扩散段的长度为4.5mm,扩散角为10°,对比现用的喷嘴,能让气体对壁面的切应力和进入割缝的气体流量增大,并且切应力分部更加平均,切割面细腻平整。
本发明还可以根据模拟工况需要,将入口的边界条件的压力大小设置成多种情况,并进行综合对比不同切割工况下,提升喷嘴的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于CFD的喷嘴性能评估方法流程图;
图2为现有技术中涉及的喷嘴切割后的断面实物图;
图3为现有技术中涉及的喷嘴切割后的断面实物图;
图4为经过喷嘴性能评估方法评估后使用的喷嘴切割断面实物图;
图5为经过喷嘴性能评估方法评估后使用的喷嘴切割断面实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接,也可以是电的,机械的或其它的形式连接。
本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法采用CFD软件来进行模拟计算评估。CFD软件(Computational Fluid Dynamics),即计算流体动力学,简称CFD,是以计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问题进行数值实验、计算和模拟分析,以解决设计喷嘴所面对的问题。如图1所示,方法具体包括:
S101、建立喷嘴在切割工况下的待评估三维模型;
其中,建立的待评估三维模型是基于激光切割时喷嘴与钢板割缝之间的三维模型;
待评估三维模型参数包括:配置与实际切割工况下的等比例喷嘴,喷嘴和钢板之间的距离,钢板的尺寸,钢板割缝的宽度和深度以及割缝的倾斜度。割缝上部汽化区与喷嘴轴线重合,下部融化区为割缝的倾斜度,这里的倾斜角约3°-6°。
对于喷嘴来讲,在建立喷嘴切割的三维图时,建立喷嘴内腔的流道封闭三维模型。
本发明在建立待评估三维模型时,基于对切割敏感的区域状态的还原。
作为一种实施例来讲,计算流体域半径约为50-100mm,割缝宽度可以选取1-2mm,喷嘴高度可以为0.5-1mm,喷嘴的口径为3.5-4mm,对切割不敏感区域可以适当的简化。
本发明在建立喷嘴切割的三维图时,除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件和不影响计算结果的细小部件,仅建立喷嘴内腔的流道封闭的三维模型,可以只考虑流体部分,以避免给测量带来影响,也可以提高网格质量和计算效率,简化分析过程。
S102、将待评估三维模型导入CFD软件中,生成流体域模型,并进行网格划分;
其中,进行网格划分时,配置喷嘴内部网格及割缝网格数量,喷嘴内部加入适当的边界层,割缝内网格至少要30至40层。根据切割情况,根据计算结果与实际工况对比,第一层的边界层网格高度小于8*10-7m,可以满足要求,喷嘴和钢板之间的网格进行加密。在流体域尺寸里,网格数目大于300万个,CFD软件的skness小于0.9的网格。
本发明使用KW-sst湍流模型作为封闭切割流体域的流场方程;可以使用可压缩求解器。气体选择氮气或者氧气。气体入口定义为压力入口,根据实际情况进行参数设定,例如喷嘴进口压力根据现场通常的需求,定义为1mpa。
S103、将喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分;
S104、在流体域模型中设置压力流量数据,模拟计算出切割工况下的流场分布情况;
本发明在使用CFD软件对喷嘴性能进行评估时,将气体设置为可压缩流体,选择瞬态计算,时间步长小于0.0001s,梯度项、散度项、拉普拉斯项离散重构格式选用二阶GaussLinear系列格式,时间导数项建议选用欧拉格式,计算步长为1000步。
根据评估情况,可以设置CFD软件的残差小于10-3时看作收敛。如果计算不收敛,可以将二阶线性高斯离散格式,改成一阶迎风,将计算步长,松弛因子适当降低。
S105、从流场中抓取预设比对参数,与参考三维模型的相关参数进行比对,判定待评估喷嘴的性能。
S106、改变喷嘴结构,导入待评估三维模型,重复执行S102至S105,判定不同结构形式下的喷嘴性能。
本发明可以将待评估三维模型的喷嘴流场与参考三维模型的喷嘴流场进行比对。基于壁面切应力的大小是否影响切割的速度;切应力的分布均衡性是否影响着切割面的质量,切割面是否细腻平整,切割纹路的深浅,切割面底部是否挂渣等参数来评判待评估喷嘴的好坏。另外本发明还对进入割缝的气体流量进行评估;由于喷嘴出口的湍流强度大小,也直接影响切割面质量的好坏,所以在进行比对时,也可以基于喷嘴出口的湍流强度大小来评判待评估喷嘴的好坏。通过多个参数的综合对比,可以综合的对喷嘴进行评估。
进一步的讲,本发明还从气体对割缝壁面的切应力和进入割缝的气体流量的角度对喷嘴进行评估。割缝壁面的切应力和进入割缝的气体流量也对切割效率有重要的影响。当然对切割效率有影响的参数还有喷嘴出口的气体湍流强度,喷嘴轴线上的气体速度分布和速度大小波动的振幅。还可以根据模拟工况需要,将入口的边界条件的压力大小设置成多种情况,并进行综合对比不同切割工况下的喷嘴性能。
这里是通过统计切割时的气体参数,来确定气体的排渣能力。也就是说根据气体对切割割缝壁面切应力和进入割缝气体流量来判断关键区域需要的气体流量。这是因为切应力越大,气体流量越大,可以使金属熔融物更容易排除,保证切割缝的质量。
具体的讲,本发明将CFD软件网格的skness最大数值配置在0.85以下,设置多个进口压力流量边界,且出口压力设置为0;模拟算出多个进口的压力值,并计算出割缝壁面的切应力,进入割缝的气体流量,喷嘴出口气体的速度以及湍流强度随时间的变化值。
因为切应力直接影响切割能力,所以本发明统计割缝壁面的平均切应力。对比平均切应力的分布来判断喷嘴的性能。如果平均切应力分布相对平均,同样的切割参数进行切割时,切割面细腻和稳定。如果平均切应力分布不平均,切割面容易出现粗糙的纹路,影响切割质量。
另外来讲,本发明还统计每个时间步进入割缝气体流量大小的稳定性。流量的大小影响切割速度。如果流量大小随着时间进行波动,将影响切割后的切割面质量。所以在切割过程中需要保证每个时间步割缝气体流量大小和稳定性。
根据上述方法评估,在对喷嘴进行设计时,可以先进行评估计算,在在得到预期的仿真分析结束后,再进行加工制造。
基于CFD的喷嘴性能评估方法,本发明提供的基于CFD的喷嘴性能评估方法可以评估喷嘴在给定气压下的切割能力,提高喷嘴的开发设计效率,保障喷嘴设计质量,实际开发工程中,根据评估方法设计出来的喷嘴,在切割不锈钢过程中,切割速度和切割面质量有明显提高。
作为本发明的一种应用实施例来讲,设计的喷嘴利用高压氮气切割不锈钢。本实施例设计出口马赫数为2,不锈钢钢板厚度为10mm,12mm,14mm,牌号为316L,激光功率为12000W。在切割时,调试到喷嘴最快切割速度,最快切割速度见下表,可以看到优化后的喷嘴在切割速度上提升大约10%。,切割面图像如图2至图5所示,可以看到切割面质量有较大幅度提高。
喷嘴最快切割速度对比表
喷嘴型号\板厚 10mm 12mm 14mm
优化后喷嘴 8.3m/s 5.0m/s 4.2m/s
现用喷嘴 7.2m/s 4.5m/s 3.7m/s
基于上述喷嘴性能评估方法,本发明还提供一种实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的计算机,包括:存储器,用于存储计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法;处理器,用于执行所述计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法,以实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
本发明可以将CFD储存于可读存储介质中,其中,可读存储介质上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行以实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
本发明提供的实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的计算机是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属技术领域的技术人员能够理解,本发明提供的实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此,本公开的各个方面可以具体实现为以下形式,即:完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等),或硬件和软件方面结合的实施方式,这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
可读存储介质储存有本发明提供的实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的程序产品。在一些可能的实施方式中,本公开的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式,其包括程序代码,当所述程序产品在终端设备上运行时,所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,方法包括:
步骤一、建立喷嘴在切割工况下的待评估三维模型;
步骤二、将待评估三维模型导入CFD软件中,生成流体域模型,并进行网格划分;
步骤三、将喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分;
步骤四、在流体域模型中设置压力流量数据,模拟计算出切割工况下的流场分布情况;
步骤五、从流场中抓取预设比对参数,与参考三维模型的相关参数进行比对,判定待评估喷嘴的性能;
步骤六、改变喷嘴结构,导入待评估三维模型,重复执行步骤二至五,判定不同结构形式下的喷嘴性能。
2.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
步骤一中建立的待评估三维模型是基于激光切割时喷嘴与钢板割缝之间的三维模型;
待评估三维模型参数包括:配置与实际切割工况下的等比例喷嘴,喷嘴和钢板之间的距离,钢板的尺寸,钢板割缝的宽度和深度以及割缝的倾斜度。
3.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
步骤一在建立喷嘴切割的三维图时,建立喷嘴内腔的流道封闭三维模型。
4.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
步骤三还包括:对喷嘴内壁和切割割缝内壁进行边界层划分,且切割割缝内壁的第一层边界层高度小于8*10-7米。
5.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
步骤三中,待评估三维模型的喷嘴入口收敛段角度设置为60°,中间为平稳过渡段,扩散段的长度为4.5mm,扩散角为10°。
6.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
步骤四还包括将CFD软件网格的skness最大数值配置在0.85以下,设置多个进口压力流量边界,且出口压力设置为0;
模拟算出多个进口的压力值,并计算出割缝壁面的切应力,进入割缝的气体流量,喷嘴出口气体的速度以及湍流强度随时间的变化值。
7.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
从流场中抓取的预设比对参数包括:割缝壁面的切应力,割缝的气体流量,喷嘴出口的速度和湍流强度大小。
8.根据权利要求1所述的基于CFD的喷嘴性能评估方法,其特征在于,
使用KW-sst湍流模型作为封闭切割流体域的流场方程;
气体选择氮气或者氧气。
9.一种实现基于CFD的喷嘴性能评估方法的计算机,其特征在于,包括:
存储器,用于存储计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法;
处理器,用于执行所述计算机程序及基于CFD的喷嘴性能评估方法,以实现如权利要求1至8任意一项所述基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
10.一种具有基于CFD的喷嘴性能评估方法的可读存储介质,其特征在于,所述可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1至8任意一项所述基于CFD的喷嘴性能评估方法的步骤。
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