Analisi numerica e sperimentale del processo di efflusso attraverso un ugello innovativo per applicazioni pure water jet

In high-precision pure water jet machining, the kerf quality is strongly influenced by jet structure, which is systematically affected by problems related to the presence of water inside the orifice tube. The present work shows an innovative solution to modify the nozzle air-flow field by means of a simple modification of the component standard geometry. The proposed system allows injecting air inside the orifice, with the aim to modify the jet structure and its dynamic behavior. A three-dimensional CFD simulation with Fluent solver has been performed in order to analyze the fluid dynamic aspects of the process, which have been investigated by an unsteady multiphase model with two different levels of pressure for the air section inlet. The numerical results show how the air injection inside the orifice tube can cause a relevant effects on the flow field and on the jet surface as a consequence. The CFD solution has also allowed drawing important conclusions regarding the jet formation and the hydraulic flip condition, which have been verified through many validation experiments. Finally, the proposed solution was used to perform a visual analysis of the jet under the effects of air injection: these experiments showed important results on jet stability and on the possibility to control its level of coherence.

Nell’ambito delle lavorazioni di precisione con tecnologia a getto d’acqua, le caratteristiche qualitative del solco di taglio risultano fortemente influenzate dalla stabilità del processo di efflusso. Dal momento che la struttura e il comportamento dinamico del getto in uscita dipendono dal campo di moto interno all’ugello, il presente lavoro di ricerca propone una soluzione innovativa per intervenire su di esso: attraverso la modifica geometrica di un componente standard, infatti, è stato possibile immettere aria all’interno del canale di passaggio del flusso, con l’obiettivo di modificare le caratteristiche strutturali del getto. Per analizzare in dettaglio il problema dal punto di vista fluidodinamico, il processo di efflusso è stato simulato in ambiente Fluent su dominio geometrico tridimensionale, nel quale è stato implementato un modello bifase non stazionario. I risultati delle analisi CFD, condotte con differenti condizioni al contorno per la sezione di ingresso dell’aria, hanno mostrato come la soluzione proposta possa modificare radicalmente il campo di moto interno all’ugello, alterando in modo significativo la struttura del getto in uscita. La modellazione numerica del processo, inoltre, ha permesso di trarre importanti conclusioni relative alla fase di formazione del getto, che sono state verificate attraverso numerosi esperimenti di validazione. Per valutare l’efficacia della soluzione proposta dal punto di vista applicativo, infine, l’effetto dell’iniezione di aria all’interno dell’ugello è stato analizzato visivamente, con risultati importanti per quanto riguarda la stabilità del getto e il controllo attivo del suo livello di coerenza.