基于Fluent的毛細(xì)管磨粒流加工三維數(shù)值模擬

劉江

摘要：通過對(duì)磨粒流加工原理的分析，探討毛細(xì)管磨粒流加工特性。本文基于流體力學(xué)軟件Fluent平臺(tái)，以內(nèi)燃機(jī)毛細(xì)管為研究對(duì)象，采用固液兩相Mixture湍流模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為倒錐孔加工參數(shù)的選擇及其優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：磨粒流加工;Fluent;數(shù)值模擬

0 ?引言

在軍事、醫(yī)學(xué)及民用領(lǐng)域，許多關(guān)鍵零部件存在著特殊的通道，如毛細(xì)管，其表面質(zhì)量和直線度對(duì)裝備的整體使用性能有著極其重大的影響。目前，磨粒流加工可為其提供有效的解決方法，該工藝?yán)媚チＡ髋c加工表面接觸時(shí)的壁面效應(yīng)，形成磨粒對(duì)表面的微切削實(shí)現(xiàn)表面光整加工，由于液體介質(zhì)可形成良好的仿形接觸，因此這種方法具有一定的優(yōu)勢(shì)[1]。對(duì)于管道等結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜流體問題，可利用Fluent軟件求解，該軟件提供了湍流方程，可模擬湍流的流動(dòng)狀態(tài)[2]。

1 ?磨粒流加工機(jī)理

磨粒流加工技術(shù)是以磨料介質(zhì)在壓力作用下流過工件所需加工的表面，進(jìn)行內(nèi)表面加工，以減少工件表面的波紋度和粗糙度，達(dá)到精密加工，能有效去除放電加工或激光加工后的脫層和先前工序加工后的殘余應(yīng)力[3]。

2 ?流道內(nèi)磨粒流湍流數(shù)學(xué)模型

假設(shè)流道內(nèi)固相均勻分布在液相中，固相顆粒與液相之間沒有相對(duì)滑移速度。由Launder等[4]提出的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是典型的兩方程模型，也是較為廣泛的湍流模型，為使流動(dòng)符合湍流的物理定律，需要對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行某種數(shù)學(xué)約束，即將湍動(dòng)粘度計(jì)算式中的模型系數(shù)Cp作為變量處理，湍動(dòng)能k和耗散率ε由如下公式求得：

3 ?仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)磨粒流加工特點(diǎn)，選擇Mixture多相流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，設(shè)置入口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界，考慮重力加速度的影響。材料參數(shù)如表1所示。

4 ?磨粒流加工仿真模擬

在進(jìn)行模擬過程中，假設(shè)磨粒不會(huì)發(fā)生溶解或者結(jié)晶等化學(xué)過程。給定毛細(xì)管流道初始邊界條件，采用SIMPLE算法進(jìn)行迭代計(jì)算。為了模擬不同的工況，選取1MPa、2MPa、3MPa、4MPa入口壓力進(jìn)行仿真，得到圖1所示的湍動(dòng)能分布圖。

由圖1可以看出，在管頸處云圖顏色變化非常明顯，說明此處磨粒流介質(zhì)湍動(dòng)能變化急劇，磨粒與壁面間的能量交換最強(qiáng)烈，有利于去毛刺和對(duì)壁面波紋的光整。隨著壓力的增大，湍動(dòng)能隨之增大，加工效果增強(qiáng)。

參考實(shí)際加工過程，磨粒粒徑也是影響加工效率的一個(gè)重要因素。參考國(guó)內(nèi)外磨粒流加工的研究成果，選用磨粒粒徑為8μm、30μm、和75μm三種粒徑進(jìn)行仿真，得到了圖2所示的磨粒粒徑與速度關(guān)系圖。

從圖2可以看出，磨粒粒徑越大，磨粒運(yùn)動(dòng)速度越小。從微切削理論來說，磨粒粒徑越小，其與內(nèi)壁磨削作用產(chǎn)生的劃痕越細(xì)密，表面質(zhì)量越高。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)湍動(dòng)能和速度曲線圖分析可知，增大入口壓力可以提高加工效率;從微切削理論來說，選取較小粒徑的磨粒可提高加工表面質(zhì)量。綜上所述，壓力越大、粒徑越小，越有利于磨粒流光整加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫樹峰，計(jì)時(shí)鳴，覃大鵬.低粘度液—固兩相磨粒流湍流調(diào)控與結(jié)構(gòu)化表面光整加工技術(shù)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011，22（19）：2349-2353.

[2]張凱，王瑞金，王剛.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3]李俊燁，劉薇娜，楊立峰，等.共軌管微小孔磨粒流加工裝備的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（10）：54-56.

[4]Launder B E，Spalding D，The Numerical Computation of Turbulent Flows[J]. Comp. Methods in App. Mech. And Eng.，1974，3（2）：269-289.