Hydrodynamic study of flows inside abrasive water jet cutting heads

Abrasive water jet (AWJ) makes use of a high velocity slurry jet, while in the pure water jet (PWJ) the high velocity water jet emerging from an orifice is used as a cutting tool. Inside the cutting head, there is a large-scale of turbulence mixing and momentum transfer that takes place. This results in a situation where the jet exiting the cutting head acts as the cutting tool eroding the material without heating, hence a cold cutting process. AWJ cutting has passed through great stride over the past 30 years. The developments have succeeded in bringing the technology to a rival with other cutting technologies such as laser cutting and plasma cutting in such a short time. Without doubt, it is the abrasive water jet cutting that challenges these process to overtake the leading role in the manufacturing industries as the potential of this process is continued to be exploited. Yet, process conditions (jet characteristics) are still unpredictable to a large extent and this impedes a difficulty in the development. These bases on the insufficient knowledge of the associated characteristics of a cutting head operation and absence of the comprehensive understanding of its flow characteristics. Consequently, a certain driving motivation arouses on the study of the existing cutting heads before developing new systems and accordingly advances in the research. The present work is focused on the study of the cutting head flows associated with the idea of creating tools to develop the research on cutting head flows by studying the three phase flow phenomena by numerical and experimental methodology. The analysis in the present work starts with a conceptual review of the abrasive water jet cutting head from different aspects. A detailed component based analysis of the cutting head is a subject of this text. In the first part of the study, the flow through water jet orifices was studied. Because it affects the jet characteristics (jet break-up length and momentum distribution) which in turn affects the performance of pure water jet cutting, its study was important to understand the effect of the internal geometries of orifices on the jet characteristics. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation was performed to improve the understanding of water jet formation and fluid flow process through the orifice under high injection pressures. In particular, water jet formation and reattachment length in sharp edged diamond orifices were studied. The investigation used a two dimensional, axisimetric, two-phase, transient-state model of orifice flow to observe the effects of capillary length and diameter on the jet break-up length. The injection pressure was varied from 10 MPa to 700 MPa. Results are presented for two standard diamond orifice types. Type-1 orifice, which is used for pure water jet cutting, produced a constricted water jet with no apparent cavitations during the jet formation at typical water jet cutting pressures. On the other hand, flow in type-2 orifice (a typical orifice used for abrasive water jet cutting), at similar injection pressures, quickly reattaches to the wall of the orifice. In the second part of the study, jet stability and effect of droplets collisions inside an orifice where studied. The internal geometry of the orifice plays an important role during the first instants of the jet creation affecting the jet break-up and the creation of droplets which remain inside the orifice sticking or rebounding on the walls of the orifice exit tube. A CFD analysis is carried out to study the effect of the droplet collision with the main jet: the jet break-up, early presence of water, condensed humidity or jet disturbances can create these water droplets which then can be dragged by the high velocity air field created inside the orifice tube by the main water jet. Droplets can later collide along the main jet or be sucked up towards the capillary (the upper small orifice hole where the jet is created) causing local disturbances and loss of the hydraulic flip condition which is crucial for the coherence of the jet. This random process effectively explains the instabilities which can usually be noticed by a naked-eye observation during the water jet formation and later on; the study of this phenomenon can lead to new instruments for an improved design of water jet cutting head components on the way to high precision applications. The results of simulations are validated by means of a high-speed camera. The third part of the study deals with, the effect of water jet orifice housing geometry downstream of the orifice on the stability of a pure water jet. It is presented with a view to enhance the performance of contour cutting of foam materials in the seals and gaskets industry. CFD analysis is performed and it is found that the velocity magnitude and coherence of the jet is dependent on the geometry of orifice housing. The CFD results are compared with imaging experiments and previous work obtaining good agreement. A factorial experimental work is then developed. The results show that the geometry of orifice housing plays an important role in the accurate contour cutting of the foam material. The last part is dedicated to the discussion of the detail of flows in side abrasive water jet cutting heads. Cutting heads are important components affecting the cutting performance of abrasive water jet (AWJ) technology. Therefore, investigating their characteristics to achieve efficient design is fundamental to improve this technology. In this study, Computational fluid dynamics (CFD) models for ultrahigh velocity water jets and abrasive water jets (AWJs) are established using ANSYS FLUENT software. Jet flow dynamic characteristics inside a cutting head are simulated under unsteady state, turbulent, two-phase and three-phase flow conditions. Water and particle velocities in a jet are obtained under different operating conditions to provide an insight into the jet characteristics and study the effect of cutting head geometry. The comparison with own experimental data shows the accuracy of the numerical simulations in predicting cutting head performance, as well as revealing the effect of operating conditions. Besides, it is found that the flow pattern does not depend much on the position of the abrasive and air suction zone. This investigation aids the understanding of the flow inside AWJ cutting head and provides information for designing these components to suit optimum performances. Consequent CFD results include detailed flow profiling through path line tools, pressure and velocity evolution.

Il jetto idro abrasivo (AWJ) si avvale di un getto ad alta velocità, mentre nel getto d'acqua pura (PWJ) il getto d'acqua ad alta velocità che emergono da un orifizio è usato come uno strumento da taglio. All'interno della testa di taglio, vi è una larga scala di trasferimento turbolenza miscelazione e quantità di moto che si svolge. Ciò si traduce in una situazione in cui il getto in uscita gli atti testa di taglio, come l'utensile da taglio erodendo il materiale senza riscaldamento, quindi, i processi di taglio freddo. Taglio AWJ ha attraversato grande passo negli ultimi 30 anni. Gli sviluppi sono riusciti a portare la tecnologia per un rivale con altre tecnologie di taglio come il taglio laser e taglio al plasma in così poco tempo. Senza dubbio, è jetto idro abrasivo che sfida i processi di superare il ruolo di primo piano nell'industria manifatturiera come il potenziale di questo processo è continuato ad essere sfruttato. Eppure, condizioni di processo sono ancora irriproducibile in larga misura, e questo impedisce una difficoltà nello sviluppo. Queste basi sulla scarsa conoscenza delle caratteristiche associate di un'operazione di testa di taglio e l'assenza della comprensione completa delle sue caratteristiche di portata. Di conseguenza, una motivazione di guida certa suscita sullo studio delle teste di taglio esistente prima di sviluppare nuovi sistemi e di conseguenza i progressi nella ricerca. Il presente lavoro è focalizzato sullo studio della testa di taglio flussi associati con l'idea di creare strumenti per sviluppare la ricerca sui flussi di taglio testa studiando le tre fase dalla metodologia numerica e sperimentale. L'analisi nel presente lavoro inizia con una revisione concettuale dei testa di jetto idro abrasivo da diversi aspetti. Una dettagliata analisi delle componenti base della testa di taglio è un soggetto di questo testo. Nella prima parte dello studio, Il flusso attraverso orifizi getto d'acqua sono stati studiati. Questi sono stati importanti per i suoi effetti sulle caratteristiche getto (jet break-up di lunghezza e distribuzione di moto) che a sua volta influisce sulle prestazioni di taglio a getto d'acqua pura. In questo studio, “Computational Fluid Dynamics (CFD)” di simulazione è stata eseguita per migliorare la comprensione della formazione di getti d'acqua e il processo di flusso del fluido attraverso il foro sotto elevate pressioni di iniezione. In particolare, il getto d'acqua di formazione e la lunghezza riattacco in forte orifizi diamante taglio sono stati studiati. L'indagine ha utilizzato un bidimensionale, axisimetric, a due fasi e non transitoria stato modello di flusso foro per osservare gli effetti della lunghezza e del diametro capillare della lunghezza jet break-up. La pressione di iniezione è stata variata da 10 MPa a 700 MPa. I risultati sono presentati per due tipi standard di orifizio diamante. Di tipo-1 orifizio, che viene utilizzato per il taglio a getto d'acqua pura, ha prodotto un getto d'acqua ristretto senza cavitazioni evidente durante la formazione di getti a pressioni tipico taglio a getto d'acqua. D'altra parte, il flusso di tipo-2 orifizio (un orifizio tipica utilizzata per il taglio a getto d'acqua abrasivo), a pressioni di iniezione simili, riattacca velocemente verso la parete del foro. Nella seconda parte, lo studio sul stabilità getto e l'effetto di collisioni gocce all'interno di un foro stato fato. La geometria interna del diaframma svolge un ruolo importante durante i primi istanti della creazione getto colpisce il getto di break-up e la creazione delle goccioline che rimangono dentro l'orifizio attaccare o rimbalza sulle pareti del tubo di uscita di orifizio. L'analisi CFD viene effettuata per studiare l'effetto della collisione goccia con il getto principale: il jet break-up, precoce presenza di acqua, l'umidità condensata o disturbi del jet in grado di creare queste gocce d'acqua che poi possono essere trascinati dall'aria ad alta velocità campo creato all'interno del tubo orifizio dal getto d'acqua principale. Gocce possono poi si scontrano lungo il getto principale o essere risucchiato verso il capillare (foro superiore piccolo orifizio in cui viene creato il getto) che causano disturbi locali e la perdita della condizione “hydrolic flip” vibrazione che è cruciale per la coerenza del getto. Questo processo casuale spiega efficacemente le instabilità che di solito può essere notato da una osservazione ad occhio nudo durante la formazione di getti d'acqua ed in seguito, lo studio di questo fenomeno può portare a nuovi strumenti per una migliore progettazione del taglio ad acqua componenti testa sulla strada per applicazioni di alta precisione. I risultati delle simulazioni sono convalidate per mezzo di una telecamera ad alta velocità. La terza parte dello studio si occupa, l'effetto di acqua a valle alloggio getto geometria dell'orifizio del foro sulla stabilità di un getto d'acqua pura. Si presenta, al fine di migliorare le prestazioni di taglio contorno di materiali espansi nel settore guarnizioni. Analisi CFD viene eseguita e si trova che la grandezza velocità e la coerenza del getto dipende dalla geometria delle abitazioni orifizio. I risultati CFD sono confrontati con esperimenti di “imaging” e il lavoro precedente ottenendo un buon accordo. Un lavoro sperimentale fattoriale è poi sviluppato. I risultati mostrano che la geometria delle abitazioni orifizio svolge un ruolo importante nel taglio accurato del contorno del materiale espanso. L'ultima parte è dedicata alla discussione del dettaglio dei flussi di teste di taglio a jetto idro abrasivo. Teste di taglio sono componenti importanti che riguardano le prestazioni di taglio a getto d'acqua abrasivo (AWJ), la tecnologia. Pertanto, indagando le loro caratteristiche per ottenere una progettazione efficiente è fondamentale per migliorare questa tecnologia. In questo studio, fluidodinamica computazionale (CFD) per i modelli ad altissima velocità getti d'acqua e getti d'acqua abrasivo (AWJs) sono stabilite con il software FLUENT di ANSYS®. Caratteristiche di flusso a getto dinamiche all'interno di una testa di taglio sono simulate in stato instabile, turbolento, due fasi e trifase condizioni di flusso. Velocità dell'acqua e delle particelle in un jet sono ottenuti in diverse condizioni operative per fornire una panoramica delle caratteristiche di getto e studiare l'effetto della geometria della testa di taglio. Il confronto con i propri dati sperimentali mostra la precisione delle simulazioni numeriche nel predire le prestazioni di taglio la testa, oltre a rivelare l'effetto delle condizioni operative. Inoltre, si è constatato che lo schema di flusso non dipende molto dalla posizione della zona di aspirazione aria e abrasivo perché i risultati ottenuti con due diversi modelli geometrici (2D-assialsimmetrici e 3D) sono vicini. Questa ricerca aiuta la comprensione del flusso nella testa di taglio AWJ e fornisce informazioni per la progettazione di questo componente in base alle prestazioni ottimali. Conseguenti risultati CFD comprendono profilazione dettagliata del flusso attraverso strumenti a linea di percorso, la pressione e l'evoluzione della velocità. Questi risultati sono presentati soprattutto nelle intercapedini della testa di taglio. Di conseguenza, le osservazioni fondamentali sono presentati per la caratterizzazione delle dinamiche del flusso jetto idro abrasivo.