噴油嘴磨粒流加工顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種噴油嘴磨粒流加工顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，屬于磨粒流加工模擬
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，伴隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)α悴考木纫笠膊粩嗵岣摺Ｓ绕?是在航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、醫(yī)學(xué)及軍工領(lǐng)域?qū)α悴考加休^高的精度要求。如汽車供油 系統(tǒng)中的重要部件共軌管、噴油嘴零件以及航空載運(yùn)工具中廣泛應(yīng)用的閥門(mén)閥芯等零部件 均對(duì)表面質(zhì)量有很高的要求。面對(duì)這些尺寸小、精度要求高的復(fù)雜行腔零部件，傳統(tǒng)加工方 法很難達(dá)到加工要求，磨粒流加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。磨粒流加工技術(shù)能夠有效的解決傳統(tǒng)的 加工方法難以實(shí)現(xiàn)的微小孔道，尤其是非直線孔道的精密加工。磨粒流加工技術(shù)較傳統(tǒng)加 工方法存在很大的優(yōu)勢(shì)，消除了表面冷作硬化，消除了表面殘余應(yīng)力及面層金相組織的變 化對(duì)工件質(zhì)量性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種噴油嘴磨粒流加工顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，以便更好 地針對(duì)噴油嘴磨粒流加工顆粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，改善使用效果。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0005] -種噴油嘴磨粒流加工顆粒運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方法，具體步驟如下：
[0006] (1)建立計(jì)算模型：所選噴油嘴零件為某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴零件，在其端部均布 六個(gè)小噴孔，其流道大孔直徑為4mm，小孔直徑為0. 16mm，通過(guò)Soildworks軟件所繪制的三 維實(shí)體模型；為便于仿真分析，對(duì)所繪制的噴油嘴三維實(shí)體圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，隱藏其實(shí)體部分， 將其內(nèi)部通道部分抽象出來(lái)，只保留噴油嘴主通道及六個(gè)噴孔通道；
[0007] (2)設(shè)置求解參數(shù)：在進(jìn)行仿真之前，要對(duì)磨粒流的特征參數(shù)、初始參數(shù)、邊界條 件等進(jìn)行設(shè)定，具體如下：
[0008] (2a)初始參數(shù)：操作壓力I. 01e5Pa，液相密度PL為886,液相動(dòng)力粘度為y= 0. 131e_°_°26TPa?s，液相比熱容2000jAkg?K)，液相熱傳導(dǎo)系為0. 15W(m?K)，重力加速度 9. 8m?s2,常溫下SiC顆粒密度Ps(kg/m3)，?顆粒熱傳導(dǎo)系數(shù)120w/(m?K);
[0009] (2b)進(jìn)出口邊界條件：
[0010] 連續(xù)相：通道進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件，假定進(jìn)口處磨粒流為湍流狀態(tài)，根據(jù)噴油嘴 磨粒流加工的實(shí)際過(guò)程可知，出口端為直接與外界連通，磨粒流可以自由從噴油嘴流出，設(shè) 定出口端邊界條件為自由出口；
[0011] 離散相：離散相為一定體積的SiC顆粒，離散相SiC顆粒的濃度同樣也會(huì)影響到磨 粒流加工效果，理論上單位體積內(nèi)SiC含量越高，磨粒流中的SiC顆粒與通道壁面發(fā)生碰撞 的機(jī)會(huì)也越多，對(duì)通道內(nèi)表面的磨削作用也越明顯；設(shè)定SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為8%。同樣也 采用速度進(jìn)口條件，所給定的初始速度與流體相一樣；出口端邊界條件為自由出口；
[0012] (2c)壁面邊界條件：壁面默認(rèn)為非滑移邊界條件。
[0013] (3)模型網(wǎng)格劃分及區(qū)域劃分：對(duì)噴油嘴通道幾何模型采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃 分；為獲得滿意的網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)于噴油嘴模型，先對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行分塊處理，然后以四面體 網(wǎng)格對(duì)分塊后的通道進(jìn)行劃分并逐個(gè)設(shè)置網(wǎng)格疏密程度，從而達(dá)到控制網(wǎng)格數(shù)目與網(wǎng)格質(zhì) 量的目的，以符合模擬仿真計(jì)算的要求；選用四面體網(wǎng)格對(duì)其劃分，并在噴油嘴通道壁面處 生成邊界層網(wǎng)格；網(wǎng)格劃分后形成230845個(gè)節(jié)點(diǎn)。
[0014] (4)求解器的設(shè)置及求解計(jì)算：總體模型設(shè)定中，時(shí)間類型選擇Transient瞬變類 型，連續(xù)相采用k-印silon湍流模型，根據(jù)噴油嘴模型的尺寸進(jìn)行離散相跟蹤計(jì)算的設(shè)置 中，步長(zhǎng)為〇. 〇〇1_，最大步數(shù)為4500步；求解方法選擇二階迎風(fēng)算法，迭代160次左右，達(dá) 到收斂條件，說(shuō)明噴油嘴通道模型設(shè)計(jì)與計(jì)算參數(shù)設(shè)置較為合理，可以達(dá)成收斂；
[0015] (5)計(jì)算結(jié)果后處理：
[0016] (5a)顯示顆粒軌跡。通過(guò)數(shù)值分析獲得的顆粒軌跡圖，由顆粒跡線圖可見(jiàn)，顆粒對(duì) 流體的跟隨性很好，很少有顆粒順著來(lái)流的方向直接撞擊到管壁上，近壁處的顆粒會(huì)順著 來(lái)流方向在壁面產(chǎn)生滑移，當(dāng)磨粒流流經(jīng)交叉孔處，由于局部的阻力，使得流體的動(dòng)能損失 較大，速度明顯減小，從而減弱了對(duì)顆粒的攜帶作用，對(duì)顆粒的動(dòng)量傳遞變小，導(dǎo)致顆粒的 動(dòng)量減小，部分顆粒在交叉孔處產(chǎn)生堆積，發(fā)生堆積的這部分顆粒又在二次流的作用下流 經(jīng)堆積表面進(jìn)入噴油嘴噴孔。
[0017] (5b)顯示顆粒的位置分布圖。在交叉孔處和靠近噴油嘴通道內(nèi)表面近壁區(qū)域顆粒 分布稠密，而靠近噴油嘴通道中心線區(qū)域顆粒分布稀疏，這反映了磨粒流加工噴油嘴的過(guò) 程中，顆粒相在湍流介質(zhì)中不均勻分布的特征。當(dāng)磨粒流流經(jīng)噴油嘴交叉孔位置時(shí)，在交叉 孔處形成旋流區(qū)；在交叉孔的旋流產(chǎn)生區(qū)和通道內(nèi)表面近壁區(qū)，連續(xù)相的湍流強(qiáng)度較高，說(shuō) 明顆粒的分布與連續(xù)相湍流強(qiáng)度有關(guān)，即在連續(xù)相湍流強(qiáng)度較高的位置，顆粒相分布較密 集，在連續(xù)相湍流強(qiáng)度較低的位置，顆粒相分布較稀疏。
[0018] (5c)顯示顆粒速度矢量圖。磨粒流加工噴油嘴的過(guò)程中，當(dāng)磨粒流流經(jīng)噴油嘴交 叉孔位置時(shí)，速度突然增加，這是由于孔徑突然變小導(dǎo)致；同時(shí)，速度的矢量方向發(fā)生不規(guī) 則變化，說(shuō)明在此處顆粒與壁面的碰撞作用更劇烈，磨粒流對(duì)該位置的加工作用更明顯；磨 粒流在噴油嘴的小孔壁面處的速度遠(yuǎn)小于小孔孔腔內(nèi)的速度，說(shuō)明在小孔壁面處顆粒與壁 面發(fā)生碰撞，顆粒之間的碰撞更劇烈，通過(guò)顆粒對(duì)壁面的碰撞，使得磨粒流對(duì)壁面進(jìn)行去毛 刺、拋光加工；對(duì)比大孔孔壁與小孔孔壁顆粒的速度矢量圖，發(fā)現(xiàn)大大孔近壁處的顆粒速度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小孔近壁處的速度，可以預(yù)測(cè)磨粒流在加工噴油嘴的過(guò)程中對(duì)小孔孔壁的加工效 果比大孔孔壁的加工效果明顯。
[0019] 該發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明方法對(duì)噴油嘴磨粒流加工的流場(chǎng)中的離散顆粒相 進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)離散相顆粒與連續(xù)相流體的耦合進(jìn)行計(jì)算，得出了離散顆粒的運(yùn)動(dòng)數(shù) 據(jù)，包括顆粒與壁面的碰撞信息，顆粒跡線，顆粒位置分布，顆粒速度矢量分布情況，得出 磨粒流加工過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況與流體的湍流強(qiáng)度有關(guān)；并探討了非直線管通道表面質(zhì) 量與顆粒與壁面碰撞的關(guān)系，具有較好的指導(dǎo)作用。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中所使用的數(shù)值模擬的總體步驟示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便更好的理解本發(fā) 明。
[0022] 實(shí)施例
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例以噴油嘴為對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬的具體步驟如下：
[0024] (1)建立計(jì)算模型：所選噴油嘴零件為某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴零件，在其端部均布 六個(gè)小噴孔，其流道大孔直徑為4mm，小孔直徑為0. 16mm，通過(guò)Soildworks軟件所繪制的三 維實(shí)體模型。為便于仿真分析，對(duì)所繪制的噴油嘴三維實(shí)體圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，隱藏其實(shí)體部分， 將其內(nèi)部通道部分抽象出來(lái)，只保留噴油嘴主通道及六個(gè)噴孔通道。
[0025] (2)設(shè)置求解參數(shù)：在進(jìn)行仿真之前，要對(duì)磨粒流的特征參數(shù)、初始參數(shù)、邊界條 件等進(jìn)行設(shè)定，具體如下：
[0026] (2a)初始參數(shù)。操作壓力I. 01e5Pa，液相密度PL為886,液相動(dòng)力粘度為y= 0. 131e_°_°26TPa?s，液相比熱容2000jAkg?K)，液相熱傳導(dǎo)系為0. 15W(m?K)，重力加速度 9. 8m?s2,常溫下SiC顆粒密度Ps(kg/m3)，?顆粒熱傳導(dǎo)系數(shù)120w/(m?K)。
[0027] (2b)進(jìn)出口邊界條件：
[0028] 連續(xù)相：通道進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件（Velocity-inlet)，假定進(jìn)口處磨粒流為端 流狀態(tài)，湍流模型選擇k-印silon(2eqn)模型。根據(jù)噴油嘴磨粒流加工的實(shí)際過(guò)程可知，出 口端為直接與外界連通，磨粒流可以自由從噴油嘴流出，故設(shè)定出口端邊界條件為自由出 口 （outflow)。
[0029] 離散相：離散相為一定體積的SiC顆粒，離散相SiC顆粒的濃度同樣也會(huì)影響到磨 粒流加工效果，理論上單位體積內(nèi)SiC含量越高，磨粒流中的SiC顆粒與通道壁面發(fā)生碰撞 的機(jī)會(huì)也越多，對(duì)通道內(nèi)表面的磨削作用也越明顯；但是，離散相的體積分?jǐn)?shù)過(guò)大也會(huì)影響 加工效果，對(duì)于噴油嘴零件，其體積較小，噴孔尺寸僅為0. 16mm，如果磨粒流中固體顆粒含 量過(guò)高，可能會(huì)影響湍流的形成，甚至賭賽噴孔，因此應(yīng)合理選擇離散相的體積分?jǐn)?shù)。根據(jù) 大量的理論與實(shí)踐研宄基礎(chǔ)上，設(shè)定SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為8%。同樣也采用速度進(jìn)口條件， 所給定的初始速度與流體相一樣；出口端邊界條件（outlet)為自由出口（outflow)。
[0030] (2c)壁面邊界條件：壁面默認(rèn)為非滑移邊