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.docx

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10月 应用激光 APPLIEDLAsER Vol.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* 郭绍刚湖俊，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 AnalysisofAssistGasGlowandtheStructuralOptimizingforSimpleSupers onicNozzIeinLaserFusionCutting GuoShaogang,Hujun,Luolei,Xuzhengsong,YaoZhenqiang (SchoolofMechanicalandPowerEnergyEngineering,ShanghaiJiaotongU niversity,Shanghai200240,China) AbstractArelationshipbetweenthestructureofjetflowandtheturninganglet hroatsectionisanalyzed,andtheinfluenceof thelengthofdivergencesectiononstateparametersoQetflowisstudiedforsim plecurvedsupersonicnozzle.Thelengthofdi一 vergencesectionaredesignedreasonablytOimprovethissupersonicnozzle ? Theuniformflowandtheoptimumdynamiccharac一 teristiccanbeobtainedbyusingtheimprovedsupersonicnozzle.Thenumeric a 1 resultsshowthattheimprovednozzlecanob一 tainthejetflowwithreasonableoutletparametersandgooddynamiccharacter isticfinally ? KeywordsSupersonicnozzle;throatsection;jetflow;dynamiccharacteristic 1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_】］,喷嘴只担负排岀辅助气 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n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 且耍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.l Commonlycuttingnozzles (a)parallel(b)convergent(c)conical 由于此吋出口压力常常大于环境压力，岀口气体将 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rti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 — 17 403? 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