利用Fluent研究噴射泵式DF系統(tǒng)

平艷玲

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)治 046000）

利用Fluent研究噴射泵式DF系統(tǒng)

平艷玲

（長(zhǎng)治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)治 046000）

采用通用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)改進(jìn)后的DF系統(tǒng)（噴射泵式DF系統(tǒng)）負(fù)壓裝置進(jìn)行力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明：噴射泵式DF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的排屑能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的圓錐形噴嘴的DF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可讓研究者形象直觀認(rèn)識(shí)兩種負(fù)壓裝置內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特性。

深孔加工 DF系統(tǒng) 負(fù)壓裝置 仿真

引言

DF深孔加工系統(tǒng)由單管噴吸鉆和雙泵加油深孔兩種結(jié)構(gòu)組合而成。DF系統(tǒng)屬于深孔鉆削加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)噴射鉆和BTA內(nèi)排屑鉆的結(jié)合而運(yùn)轉(zhuǎn)，在需要加工的零件斷面處，設(shè)置一個(gè)油密封裝置，通過(guò)推壓手段控制其提供冷卻液的操作，并在該裝置的后部，放置一個(gè)裝置使其能產(chǎn)生吸引力，使冷卻液在這兩種力的雙重作用下加速流動(dòng)，流量加大，增強(qiáng)排屑力。針對(duì)小直徑深孔鉆削加工類操作時(shí)，特別是加工性差和難斷屑類材料的加工過(guò)程中，該結(jié)構(gòu)會(huì)十分適用且好用，同時(shí)能很方便地切屑處理。但該結(jié)構(gòu)還存在眾多設(shè)計(jì)上的弊端，如設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用先前的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，未充分解釋噴吸效應(yīng)，設(shè)計(jì)工作缺乏理論指導(dǎo)，掩蓋傳統(tǒng)DF設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

在本文中，重點(diǎn)探討噴射泵式DF系統(tǒng)中負(fù)壓裝置內(nèi)的力學(xué)行為，數(shù)學(xué)模型的建造等問(wèn)題，并運(yùn)用Fluent軟件模擬分析兩種負(fù)壓裝置中的切削液，使研究者進(jìn)一步了解噴射泵式DF系統(tǒng)負(fù)壓裝置的排屑能力。

1 噴射泵式負(fù)壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴射泵式負(fù)壓裝置的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)DF系統(tǒng)負(fù)壓裝置采用同一實(shí)驗(yàn)條件，即雙進(jìn)油孔的負(fù)壓抽屑裝置，能夠在射流前將其通道中切削液進(jìn)行均壓操作，以此實(shí)現(xiàn)均勻的圓錐形射流，保障負(fù)壓效應(yīng)提升；并在實(shí)現(xiàn)均壓效果前提下，縮小均壓腔空間，盡可能減少擴(kuò)壓能量的損耗，使負(fù)壓裝置體積縮小。為達(dá)到該效果，在負(fù)壓裝置確定前提下對(duì)模型施加外界條件，分析模型裝置內(nèi)液體特征，使兩種結(jié)構(gòu)中負(fù)壓裝置內(nèi)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和能量場(chǎng)中狀況更完整地呈現(xiàn)。

圖1 噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置的三維半剖圖

仿真實(shí)驗(yàn)需要的條件：忽略切屑情況，分析負(fù)壓裝置內(nèi)切削液所受力狀況，建造與實(shí)際狀況下相似的數(shù)學(xué)模型。選用硫化切削液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其運(yùn)動(dòng)粘度是（40℃）11.83mm2/s。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在油路系統(tǒng)中，循環(huán)的切削液在正常狀況下溫度約為40℃，而切削液流出切削區(qū)后，其溫度為60℃左右；深孔鉆削時(shí)，對(duì)于其油路系統(tǒng)的排屑通道來(lái)講，運(yùn)用雷諾數(shù)（V表示截面平均速度；d表示圓管直徑；v表示切削液運(yùn)動(dòng)粘度）計(jì)算可得，其油路系統(tǒng)處于流動(dòng)狀態(tài)為湍流。以下為傳統(tǒng)圓錐形噴嘴的參考數(shù)值：d0=14mm；R1=31.2mm；R2=16.3mm；R3=14.5mm，噴射泵式圓錐形噴嘴的參數(shù)如下：d0=14mm；d1=d0+2δcosθ=14.6mm；l=3d1=43.8mm；δ=0.4mm；θ=15°。

2 幾何模型與數(shù)值計(jì)算方法

負(fù)壓裝置內(nèi)部呈現(xiàn)對(duì)稱性，所以在仿真流體試驗(yàn)中可以運(yùn)用二維平面模型進(jìn)行。在這兩種負(fù)壓裝置中，流體網(wǎng)格的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)分別是25327、13524和26583、17382。兩種負(fù)壓裝置的入口邊界條件都為質(zhì)量流量：將切削液的入口流量設(shè)定為Qx=36.4L/min；Qy=9.1L/min（Qx表示排屑通道進(jìn)油口處切削液流量；Qy表示進(jìn)油孔處切削液流量）。切削液入口溫度Tx=333K；Ty=313K（Tx表示排屑通道進(jìn)油口處切削液溫度；Ty表示進(jìn)油孔處切削液溫度即在油路系統(tǒng)中的循環(huán)切削液溫度）。

在計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用有限元法離散控制方程以及邊界條件，運(yùn)用SIMPLE算法得出壓力-速度耦合，通過(guò)一階迎風(fēng)差分格式表示動(dòng)量、湍流動(dòng)能和溫度場(chǎng)離散格式。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置與噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在噴嘴處產(chǎn)生的最大壓力值分別是1.4MPa和1.6MPa，即面對(duì)相同壓力出口，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置比傳統(tǒng)的負(fù)壓抽屑裝置的壓力增加。可以證明噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置內(nèi)，其前后壓差越大時(shí)排屑能力也越強(qiáng)。

處于排屑通道出口即混合室出口時(shí)，傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置和噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置出口速度的最大值分別是15m/s和16m/s，可證明噴射泵式的負(fù)壓抽屑裝置能夠更加充分的運(yùn)用能量，從而提升排屑能力。

傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置以及噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在噴嘴出口處動(dòng)能分別是550J和630J，即噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置動(dòng)能更大，從而使動(dòng)能轉(zhuǎn)換率更高，能夠使排屑通道中的混合液體加速運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)排屑能力。

傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是700J，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是800J，可見(jiàn)噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置的排屑通道具有更強(qiáng)的混合力，從而帶動(dòng)排屑能力的提升。

傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置以及噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在出口處的混合液溫度分別處在323.5～325.5K與323～324.5K，可見(jiàn)相同溫度下，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置排出的混合液溫度更低，證明了該裝置具有良好的散熱性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要建造兩種負(fù)壓抽屑裝置和腔體內(nèi)流體物理模型，使用Fluent軟件分析腔體內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特征，并對(duì)比噴射泵式的負(fù)壓裝置實(shí)驗(yàn)仿真與傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置在壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和能量場(chǎng)等，分析各自特性與不足。研究結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)圓錐形噴嘴負(fù)壓裝置，配備擴(kuò)散室與自由曲面的內(nèi)外噴嘴結(jié)構(gòu)噴射泵式負(fù)壓裝置具有更強(qiáng)的排屑能力。此外，驗(yàn)證DF系統(tǒng)中負(fù)壓裝置的巨大作用，同時(shí)為研究者進(jìn)一步了解噴射泵式DF系統(tǒng)的負(fù)壓裝置的內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)特征提供相應(yīng)的依據(jù)。

[1]王世清.深孔加工技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003：20-73.

[2]王竣.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2005：97-85.

Study the Injection Pump Type DF System with Fluent

PING Yanling
(Changzhi vocational and technical college, Changzhi 046000)

Using the general computational fluid dynamics software Fluent to simulate the mechanical simulation of the improved DF system (jet pump type DF system). The simulation results show that the system structure of DF jet conical nozzle chip capacity pump DF system structure is far superior to the traditional mechanical properties, and can allow researchers to visually understand two kinds of negative pressure device in fluid motion.

deep hole machining, DF system, negative pressure device, simulation