一種伺服閥閥芯噴嘴的數(shù)值模擬分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及磨粒流加工技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種伺服閥閥忍噴嘴的數(shù)值模擬分析 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 研究學(xué)者在近幾十年來(lái)對(duì)磨粒流加工技術(shù)內(nèi)復(fù)雜兩相流系統(tǒng)進(jìn)行了許多理論和 實(shí)驗(yàn)研究，學(xué)者們構(gòu)建了大量的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。研究學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件，采 用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)磨粒流加工過程中整個(gè)流體系的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究分析，為磨粒流拋 光加工提供了一定理論基礎(chǔ)。本發(fā)明是基于固液兩相流動(dòng)力學(xué)理論、混合模型、離散相模型 W及沖蝕磨損模型理論為基礎(chǔ)，對(duì)磨粒流加工過程進(jìn)數(shù)值仿真模擬，探討磨粒流加工過程 中固液兩相流的運(yùn)動(dòng)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種伺服閥閥忍噴嘴的數(shù)值模擬分析方法，W便更好地針 對(duì)伺服閥閥忍噴嘴進(jìn)行數(shù)值模擬。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0005] -種伺服閥閥忍噴嘴的數(shù)值模擬分析方法，具體步驟如下：
[0006] (1)建立幾何模型：W伺服閥的噴嘴體為研究對(duì)象，選取噴嘴體不同的外圓、內(nèi)孔 尺寸，采用不同模型對(duì)噴嘴體通道內(nèi)固液兩相流流動(dòng)及沖蝕磨損特性進(jìn)行數(shù)值仿真，利用 woricbench軟件構(gòu)建的噴嘴體流體區(qū)域幾何模型；
[0007] (2)模型的網(wǎng)格劃分:首先對(duì)噴嘴體通道模型進(jìn)行分塊處理，然后采用四面體網(wǎng)格 對(duì)分塊處理后的模型進(jìn)行詳細(xì)的網(wǎng)格重劃分；
[000引（3)物理參數(shù)設(shè)置:對(duì)噴嘴體的磨粒流加工技術(shù)，所采用的磨料加工介質(zhì)是由航空 液壓油與碳化娃顆粒按照一定的比例配置的，計(jì)算求解過程中將航空液壓油看作連續(xù)相流 體，將松散的碳化娃顆?？醋麟x散固相；
[0009] (4)邊界條件的設(shè)置:在Fluent軟件中需要對(duì)計(jì)算模擬的問題進(jìn)行進(jìn)出口條件、采 用的模型、計(jì)算方法、物理參數(shù)、壁面條件等一系列的設(shè)置，噴嘴體磨粒流加工模擬參數(shù)設(shè) 置如下：
[0010] (a)采用模型:假定磨粒流加工的介質(zhì)流動(dòng)為端流狀態(tài)，采用k-e端流模型、混合模 型W及離散相模型，當(dāng)考慮到連續(xù)相與離散相之間的動(dòng)能量轉(zhuǎn)換，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)參數(shù)考察時(shí)，需 要添加其他相對(duì)應(yīng)的參數(shù)模塊；
[0011] (b)進(jìn)口邊界設(shè)置：
[0012] 連續(xù)相:連續(xù)相選取的是航空液壓油，進(jìn)口條件采用速度進(jìn)口條件，進(jìn)口流動(dòng)速度 垂直于進(jìn)口邊界面，模擬計(jì)算選取不同的速度；
[0013] 離散相:離散相是一定體積分?jǐn)?shù)的碳化娃顆粒，進(jìn)口條件同樣采用速度進(jìn)口條件， 設(shè)定與連續(xù)相相同的初始速度;離散相模型內(nèi)選取不同的碳化娃顆粒直徑，入口條件選取 面射流源，而且在流場(chǎng)內(nèi)設(shè)定了連續(xù)相與離散顆粒相之間的雙向禪合作用，但顆粒與壁面 的碰撞過程中認(rèn)為顆粒是不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，同時(shí)忽略了顆粒間的碰撞作用力；
[0014] (C)出口邊界設(shè)置：
[0015] 依據(jù)磨粒流加工的實(shí)際操作環(huán)境情況，磨粒流加工出口與外界相連接，所W設(shè)置 出口邊界條件為自由出口；
[0016] (d)壁面邊界設(shè)置：
[0017] 連續(xù)相:壁面條件采用增強(qiáng)壁面函數(shù)法和無(wú)滑移條件；
[0018] 離散相：因固相壁面不滿足無(wú)滑移條件，離散顆粒是W-定的角度對(duì)加工壁面沖 擊碰撞，所W顆粒與壁面碰撞時(shí)設(shè)定為彈性碰撞，且顆粒碰撞加工壁面后能量會(huì)發(fā)生一定 的變化，其變化規(guī)律由反彈系數(shù)決定；
[0019] (e)計(jì)算方法：
[0020] 求解方法采用3D壓力-速度禪合求解方式，選取經(jīng)典SIMPLE算法和一階迎風(fēng)格式， 在歐拉坐標(biāo)系下計(jì)算連續(xù)相N-S方程，在拉格朗日坐標(biāo)系下離散相求解器為了獲得不斷更 新的顆粒狀態(tài)，需要在每一個(gè)連續(xù)相的時(shí)間內(nèi)對(duì)每個(gè)顆粒進(jìn)行一步步的軌跡計(jì)算，在顆粒 的當(dāng)前狀態(tài)下，離散模型求解器在單位顆粒時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、質(zhì)量、動(dòng)量W及 能量的傳遞等進(jìn)行求解計(jì)算。
[0021] (5)數(shù)值模擬結(jié)果與分析:采用混合模型和離散相模型對(duì)伺服閥噴嘴體磨粒流加 工技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，探索了噴嘴體磨粒流微磨削加工機(jī)理W及加工參數(shù)因子對(duì)噴嘴 體磨粒流加工技術(shù)的影響。
[0022] 在計(jì)算求解過程中采用混合模型，根據(jù)伺服閥噴嘴體的模型尺寸參數(shù)、磨粒流加 工工況進(jìn)行仿真設(shè)置，經(jīng)過求解計(jì)算得到噴嘴體磨粒流加工系統(tǒng)的收斂殘差曲線。隨著迭 代次數(shù)的增加，模型計(jì)算求解的各項(xiàng)參數(shù)大約迭代130次左右達(dá)到收斂，運(yùn)說(shuō)明了磨粒流加 工在經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定的端流狀態(tài)，且噴嘴體磨粒流加工求解參數(shù)和模型設(shè)計(jì)的設(shè) 置是合理的，可W很快地達(dá)到收斂狀態(tài)。為了進(jìn)一步研究分析噴嘴體磨粒流加工流場(chǎng)內(nèi)的 運(yùn)動(dòng)特性，采用不同的加工工況，主要針對(duì)磨粒流加工通道內(nèi)的速度和壓力分布進(jìn)行分析 研究。
[0023] 影響沖擊磨損的因素很多，常受到外界環(huán)境的干擾影響，影響因素包括環(huán)境因素 (速度、角度、時(shí)間、顆粒濃度、溫度W及流體性質(zhì)）、磨粒性質(zhì)(粒度、硬度、形狀等)和被加工 工件的材料性質(zhì)(粗糖度、強(qiáng)度、硬度等）。本發(fā)明主要從顆粒速度、溫度、磨粒的粒徑大小等 方面入手，研究分析各參數(shù)因子對(duì)其磨削效果的影響。
[0024] (1)入口速度對(duì)沖蝕磨損的影響：
[0025] 本發(fā)明采取不同的速度對(duì)噴嘴磨粒流加工過程顆粒的沖蝕磨損進(jìn)行數(shù)值模擬分 析，獲得了不同速度條件下的顆粒沖蝕磨損云圖。不同的初始速度會(huì)導(dǎo)致不同的沖蝕磨損 速率，為了更加清晰觀察不同流速和沖蝕磨損率之間的關(guān)系。在伺服閥噴嘴磨粒流加工過 程中，隨著入口速度的增加，沖蝕磨損速率也呈現(xiàn)增加的狀態(tài)。運(yùn)種現(xiàn)象與顆粒受到多種作 用力相關(guān)，當(dāng)入口速度增大時(shí)，顆粒隨著流體相的速度同時(shí)增大，流速的增加使單位時(shí)間 內(nèi)，加工表面的沖擊顆粒數(shù)目增加，在流體相的攜帶作用下顆粒與加工壁面的接觸碰撞率 隨之增大，從而導(dǎo)致了顆粒對(duì)加工壁面的碰撞、沖蝕磨損量增加;而且顆粒的動(dòng)能隨入口速 度的增加而增加，運(yùn)就導(dǎo)致了顆粒對(duì)加工壁面的碰撞沖擊能量增大，進(jìn)而對(duì)加工壁面的沖 蝕磨損量增加，加工作用更明顯。
[0026] (2)顆粒直徑對(duì)沖蝕磨損的影響：
[0027] 在磨粒流加工過程中，考慮到固相顆粒作為離散相，顆粒的跟隨性和顆粒的無(wú)序 運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顆粒對(duì)加工壁面的頻繁碰撞沖擊，顆粒的直徑大小很有可能會(huì)影響沖蝕磨損 量，于是選取不同直徑的顆粒對(duì)噴嘴磨粒流加工的沖蝕磨損進(jìn)行數(shù)值模擬。不同粒徑條件 下的噴嘴磨粒流加工過程中，顆粒直徑的增加，顆粒對(duì)壁面的磨損速率增加，即顆粒的微磨 削作用增強(qiáng)，顆粒對(duì)壁面的微磨削量增加。
[0028] 通過研究分析，顆粒的沖蝕磨損速率隨著顆粒直徑的增加而增加，是因?yàn)樵陬w粒 直徑較小的情況下，顆粒的質(zhì)量相對(duì)較小，其對(duì)加工壁面的沖擊力小，且沒有顆粒的破碎， 不存在顆粒的二次磨削，所W顆粒產(chǎn)生的磨損小；隨著顆粒直徑的增大，顆粒的沖擊力變 大，且存在顆粒的二次沖蝕磨損，所W顆粒對(duì)加工壁面的沖蝕磨損量也相應(yīng)地增加。
[0029] (3)溫度對(duì)沖蝕磨損的影響：
[0030] 磨粒流加工當(dāng)顆粒與壁面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生摩擦和磨損作用效果，不論是 加工速度還是粒徑大小對(duì)磨損的影響，實(shí)質(zhì)上均和溫度相關(guān)。加工通道內(nèi)溫度的升高是由 于加工表面受到作用力而產(chǎn)生的摩擦熱，溫度的升高會(huì)影響到流體和顆粒的性質(zhì)，進(jìn)而影 響加工效果。所W本發(fā)明選取不同的加工溫度，進(jìn)行噴嘴磨粒流加