基于Fluent的毛細管磨粒流加工三維數值模擬

劉江

摘要：通過對磨粒流加工原理的分析，探討毛細管磨粒流加工特性。本文基于流體力學軟件Fluent平臺，以內燃機毛細管為研究對象，采用固液兩相Mixture湍流模型進行動態數值模擬，模擬結果為倒錐孔加工參數的選擇及其優化提供理論指導。

關鍵詞：磨粒流加工;Fluent;數值模擬

0 ?引言

在軍事、醫學及民用領域，許多關鍵零部件存在著特殊的通道，如毛細管，其表面質量和直線度對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，該工藝利用磨粒流與加工表面接觸時的壁面效應，形成磨粒對表面的微切削實現表面光整加工，由于液體介質可形成良好的仿形接觸，因此這種方法具有一定的優勢[1]。對于管道等結構中的復雜流體問題，可利用Fluent軟件求解，該軟件提供了湍流方程，可模擬湍流的流動狀態[2]。

1 ?磨粒流加工機理

磨粒流加工技術是以磨料介質在壓力作用下流過工件所需加工的表面，進行內表面加工，以減少工件表面的波紋度和粗糙度，達到精密加工，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力[3]。

2 ?流道內磨粒流湍流數學模型

假設流道內固相均勻分布在液相中，固相顆粒與液相之間沒有相對滑移速度。由Launder等[4]提出的標準k-ε模型是典型的兩方程模型，也是較為廣泛的湍流模型，為使流動符合湍流的物理定律，需要對正應力進行某種數學約束，即將湍動粘度計算式中的模型系數Cp作為變量處理，湍動能k和耗散率ε由如下公式求得：

3 ?仿真參數設置

根據磨粒流加工特點，選擇Mixture多相流模型，采用標準k-ε湍流模型，設置入口邊界條件、出口邊界條件及壁面邊界，考慮重力加速度的影響。材料參數如表1所示。

4 ?磨粒流加工仿真模擬

在進行模擬過程中，假設磨粒不會發生溶解或者結晶等化學過程。給定毛細管流道初始邊界條件，采用SIMPLE算法進行迭代計算。為了模擬不同的工況，選取1MPa、2MPa、3MPa、4MPa入口壓力進行仿真，得到圖1所示的湍動能分布圖。

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湍動能變化急劇，磨粒與壁面間的能量交換最強烈，有利于去毛刺和對壁面波紋的光整。隨著壓力的增大，湍動能隨之增大，加工效果增強。

參考實際加工過程，磨粒粒徑也是影響加工效率的一個重要因素。參考國內外磨粒流加工的研究成果，選用磨粒粒徑為8μm、30μm、和75μm三種粒徑進行仿真，得到了圖2所示的磨粒粒徑與速度關系圖。

從圖2可以看出，磨粒粒徑越大，磨粒運動速度越小。從微切削理論來說，磨粒粒徑越小，其與內壁磨削作用產生的劃痕越細密，表面質量越高。

5 ?結語

通過對湍動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：

[1]孫樹峰，計時鳴，覃大鵬.低粘度液—固兩相磨粒流湍流調控與結構化表面光整加工技術研究[J].中國機械工程，2011，22（19）：2349-2353.

[2]張凱，王瑞金，王剛.FLUENT技術基礎與應用實例[M].北京：清華大學出版社，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計與數值模擬[J].機械設計與制造，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.