基于Fluent的毛细管磨粒流加工三维数值模拟

刘江

摘要：通过对磨粒流加工原理的分析，探讨毛细管磨粒流加工特性。本文基于流体力学软件Fluent平台，以内燃机毛细管为研究对象，采用固液两相Mixture湍流模型进行动态数值模拟，模拟结果为倒锥孔加工参数的选择及其优化提供理论指导。

关键词：磨粒流加工;Fluent;数值模拟

0  引言

在军事、医学及民用领域，许多关键零部件存在着特殊的通道，如毛细管，其表面质量和直线度对装备的整体使用性能有着极其重大的影響。目前，磨粒流加工可为其提供有效的解决方法，该工艺利用磨粒流与加工表面接触时的壁面效应，形成磨粒对表面的微切削实现表面光整加工，由于液体介质可形成良好的仿形接触，因此这种方法具有一定的优势[1]。对于管道等结构中的复杂流体问题，可利用Fluent软件求解，该软件提供了湍流方程，可模拟湍流的流动状态[2]。

1  磨粒流加工机理

磨粒流加工技术是以磨料介质在压力作用下流过工件所需加工的表面，进行内表面加工，以减少工件表面的波纹度和粗糙度，达到精密加工，能有效去除放电加工或激光加工后的脱层和先前工序加工后的残余应力[3]。

2  流道内磨粒流湍流数学模型

假设流道内固相均匀分布在液相中，固相颗粒与液相之间没有相对滑移速度。由Launder等[4]提出的标准k-ε模型是典型的两方程模型，也是较为广泛的湍流模型，为使流动符合湍流的物理定律，需要对正应力进行某种数学约束，即将湍动粘度计算式中的模型系数Cp作为变量处理，湍动能k和耗散率ε由如下公式求得：

3  仿真参数设置

根据磨粒流加工特点，选择Mixture多相流模型，采用标准k-ε湍流模型，设置入口边界条件、出口边界条件及壁面边界，考虑重力加速度的影响。材料参数如表1所示。

4  磨粒流加工仿真模拟

在进行模拟过程中，假设磨粒不会发生溶解或者结晶等化学过程。给定毛细管流道初始边界条件，采用SIMPLE算法进行迭代计算。为了模拟不同的工况，选取1MPa、2MPa、3MPa、4MPa入口压力进行仿真，得到图1所示的湍动能分布图。

由图1可以看出，在管颈处云图颜色变化非常明显，说明此处磨粒流介质湍动能变化急剧，磨粒与壁面间的能量交换最强烈，有利于去毛刺和对壁面波纹的光整。随着压力的增大，湍动能随之增大，加工效果增强。

参考实际加工过程，磨粒粒径也是影响加工效率的一个重要因素。参考国内外磨粒流加工的研究成果，选用磨粒粒径为8μm、30μm、和75μm三种粒径进行仿真，得到了图2所示的磨粒粒径与速度关系图。

从图2可以看出，磨粒粒径越大，磨粒运动速度越小。从微切削理论来说，磨粒粒径越小，其与内壁磨削作用产生的划痕越细密，表面质量越高。

5  结语

通过对湍动能和速度曲线图分析可知，增大入口压力可以提高加工效率;从微切削理论来说，选取较小粒径的磨粒可提高加工表面质量。综上所述，压力越大、粒径越小，越有利于磨粒流光整加工。

参考文献：

[1]孙树峰，计时鸣，覃大鹏.低粘度液—固两相磨粒流湍流调控与结构化表面光整加工技术研究[J].中国机械工程，2011，22（19）：2349-2353.

[2]张凯，王瑞金，王刚.FLUENT技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]李俊烨，刘薇娜，杨立峰，等.共轨管微小孔磨粒流加工装备的设计与数值模拟[J].机械设计与制造，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.