磨料體積分數對噴油嘴噴孔加工影響分析

劉薇娜，王尹琛，張英芝，張峻方

(1.長春理工大學 機電工程學院， 長春 130022； 2.吉林大學 機械科學與工程學院， 長春 130025；3.長治清華機械廠 工藝處， 山西 長治 046012)

噴油嘴是發動機供油系統的主要部件，其內部表面加工質量直接影響其霧化特性、油線貫穿度、流量系數及工作效率，進而影響發動機的經濟性、動力性和排放指標[1]。但噴油嘴結構復雜且體積較小，噴油嘴噴孔屬于0.08～0.14 mm之間的精密微孔，與內腔形成交叉孔，采用常規的拋光方法難以加工，加工后也難以達到精密加工的粗糙度要求，不能滿足現在的“綠色低碳”理念[2]。

本文以噴油嘴噴孔為研究對象，采用k-ε模型、Mixture模型對磨粒流拋光過程中流場分布規律進行數值模擬，通過仿真模擬試驗探索了在一定磨料參數和工作壓力下不同磨粒體積分數對拋光微孔拋光壓力、磨料濃度、湍流強度等拋光結果的影響，并確定最優的工藝參數，為現實生產加工磨料的配比提供理論依據。

1 噴油嘴模型的創建與網格的劃分

根據噴油嘴相關技術要求，利用Solidworks進行三維建模，得到的三維模型見圖1。同時將模型保存為IGS格式，便于前處理軟件Hypermesh的導入。

由于噴油嘴管道較長，而研究的主體是噴嘴部分，相對于管道所占體積極小，因此為了減少網格數量，提高計算分析的效率，在保證不影響管內流體流動的前提下適當縮短管道長度。

Hypermesh是一款高性能的有限元前處理軟件，為分析產品設計性能提供了高交互式的可視化環境，與商業CAD、CAE系統有廣泛的接口并且有一套豐富易用的建立和編輯CAE模型的工具[11]。應用實體幾何，Hypermesh可以利用標準和高級步驟為四面體網格和六面體網格劃分模型進行連接、分離和切割。本文利用Hypermesh中的solid map模塊對噴油嘴進行六面體網格劃分，結果如圖2所示。網格參數及網格模型如表1所示。

圖1 噴油嘴三維模型

表1 噴油嘴網格參數

2 基本參數設置

2.1 求解參數設置

根據磨粒流加工工藝和網格的劃分，對噴油嘴磨粒流加工的數值模擬的求解方法設置為3D雙精度壓力基隱式定常求解方法。湍流模型選用標準k-ε模型。多相流模型選擇Mixture模型，并指定相之間無滑流速度。采用SIMPLE半隱式連接壓力方程，基于單元體的最小二乘法插值。

2.2 流體材料設置

選用的磨料是由航空煤油和碳化硅顆粒按照一定比例組成的，其中航空煤油充當黏彈體的軟性磨料介質，其密度為790 kg/m3。動力黏度為 (1.5～8) mm2/s×790 kg/m3=(1.185～3)×10-3kg/(m·s)，取3×10-3kg/(m·s)。

用碳化硅顆粒充當磨粒，密度為3 170 kg/m3，磨粒微粒直徑選擇0.01 mm。主相為yet-a，第2相為sic，流體和顆粒都作為連續介質，服從質量守恒定律和動量守恒定律。

2.3 操作環境設置

為了簡化模型，操作環境統一為標準大氣壓，即101 325 Pa，不考慮重力的影響。因5個噴嘴均勻環繞分布，因此將這5個噴嘴都設置為壓力出口，同時進行模擬。

3 不同磨粒體積分數條件下磨粒流拋光數值模擬

3.1 磨粒體積分數設置

為探討磨料濃度對磨粒流拋光的影響，需對不同濃度下磨粒流拋光過程進行模擬。但是由于Fluent只提供設置固相在液相中的體積分數設置，所以選用不同的sic相體積分數來類比磨料的不同濃度，同樣具有一定的參考價值。綜合考慮實際加工情況，取磨粒sic相的體積分數為0.2、0.3、0.5、0.6，出入口壓強分別為1、3 MPa進行模擬。

3.2 仿真結果與分析

通過數值模擬，計算收斂后得到了固相sic在不同體積分數條件下的液固兩相磨粒流拋光壓強分布云圖[12]，如圖3所示。綜合分析圖3發現：在不同的磨粒體積分數時，噴孔與主流道交叉處到噴孔出口之間的壓力始終保持不變，但是當磨粒體積分數由0.3增加到0.6時，在噴孔入口處壓強減小的速率迅速增大；當sic體積分數為0.6時，磨料在進入噴孔后的極小一段距離內壓強由2.31 MPa迅速降到1.61 MPa，隨后緩慢地降到出口邊界壓強值。這是由于固體sic相體積分數的增加使磨料的流動性減弱，流動阻力增加，對入口邊界提供的壓強有一定削弱作用。因此，磨料濃度過大時容易削弱對噴孔流道壁面的拋光效果，會過度增強噴孔入口處的圓角效果。

由圖3中(c)和(d)可以看到：在噴孔入口附近的孔壁上出現了一圈壓強異常低的環狀壓強分布區域。這可能是由于磨粒的含量過高，磨粒之間過度擠壓，在噴孔入口處產生了“橋架”現象導致。由此可知：在磨粒流加工時，為保證加工質量，不宜取過高的磨料濃度。

圖4為不同sic體積分數條件下，在y=0剖切面磨料的流速分布云圖。

圖3 不同磨粒體積分數條件下壓力分布云圖

圖4 不同磨粒體積分數條件下流速分布云圖

綜合分析圖4發現：隨著磨粒體積分數的增加，由主流道進入噴嘴入口處的速度減小，同時噴孔流道內的磨料的整體流速也減小。這是由于隨著磨粒固體體積分數的增加，磨料的流動性減弱，流動阻力增加。為保證磨料具有足夠的流速以滿足邊界層磨料與壁面之間的剪切滑移條件，不可取過高的磨料濃度。

圖5為利用不同sic體積分數的磨料進行數值模擬時，y=0剖切面上磨料流動的湍流強度分布云圖。

圖5 不同磨粒體積分數條件下湍流強度分布云圖

由圖5可知，隨著sic相體積分數的增大，從噴孔入口至噴孔出口之間，湍流強度的梯度數減少，噴孔流道內的整體湍流強度增強。這是由于磨粒體積分數的增加(即粘彈性載體的體積分數減少)，載體對磨粒的粘滯力減弱，使得磨粒運動的約束性減小而變得更加活躍，導致磨料介質流動時的紊亂程度增加。磨粒運動的隨機性越大，磨粒對流道孔壁產生的劃痕就更加錯綜復雜，使得其拋光效果更好，能得到較低的表面粗糙度。但是，在拋光效果和加工效率之間應綜合衡量，取適當的磨料濃度值。

4 結論

本文以噴油嘴噴孔為研究對象，采用k-ε模型、Mixture模型對磨粒流拋光過程中流場分布規律進行數值模擬，通過仿真模擬試驗探索了在一定磨料參數和工作壓力下不同磨粒體積分數對拋光微孔拋光壓力、磨料濃度、湍流強度等拋光結果的影響。

結合數值模擬研究結果可得出以下結論：

1) 在密度、動力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個標準大氣壓的工作壓力下，隨著磨料體積分數的增加，磨料的流動性減弱，流動阻力增加，載體對磨粒的黏滯力減弱。

2) 在密度、動力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個標準大氣壓的工作壓力下，隨著磨料體積分數的增加，雖然“刀具”更多，效率更高，但是卻影響了最終的表面質量。

3) 在密度、動力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個標準大氣壓的工作壓力下，綜合考慮拋光效果和加工效率，不宜選取過高的磨料濃度。

[1] 朱春鋒.噴油嘴磨粒流超精密拋光技術研究[D].長春：長春理工大學，2009.

[2] 劉薇娜,蔡智杰,李云峰,等.噴油嘴微孔磨粒流拋光數值模擬與試驗[J].中國機械工程，2017，28(1)：13-19，26.

[3] 李俊燁，劉薇娜，楊立峰.噴油嘴小孔磨粒流加工特性三維數值分析[J].制造業自動化，2012，34(3)：27-29.

[4] 李俊燁，劉薇娜，楊立峰，等.噴油嘴微小孔磨粒流加工特性的數值模擬[J].煤礦機械，2010，31(10)：56-58.

[5] 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計與數值模擬[J].機械設計與制造，2010(10)：54-56.

[6] 韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[7] 計時鳴，池永為，譚大鵬.多種約束流道環境下的軟性磨粒流流場特性[J].農業工程學報，2011 (11)：71-77.

[8] PROKHOROV I V,KORDONSKI W I.New high-precision magnetorheological instruments-based method of polishing optics[J].QSA OF&T Workshop Digest,1992,24:134-135.

[9] JAIN V K，KUMAR R，DIXIT P M，et al．Investigations into abrasive flow finishing of complex workpieces using FEM[C]//Mechanical Engineering Department 17th International Conference on wear of Materials.Las Vegas，Nevada：[s.n.],2009:71-80.

[10] MANNA A.Simulationg of surface generated during abrasive flow finishing of Al/SiCp-MMC using NEURAL networks[J].The International Journal of Advcanced Manufacturing Techology,2012,61(9):1263-1268.

[11] 王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社，2007.

[12] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent 12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.