磨料體積分?jǐn)?shù)對(duì)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 長春 130022； 2.吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130025；3.長治清華機(jī)械廠 工藝處， 山西 長治 046012)

噴油嘴是發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的主要部件，其內(nèi)部表面加工質(zhì)量直接影響其霧化特性、油線貫穿度、流量系數(shù)及工作效率，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放指標(biāo)[1]。但噴油嘴結(jié)構(gòu)復(fù)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(nèi)腔形成交叉孔，采用常規(guī)的拋光方法難以加工，加工后也難以達(dá)到精密加工的粗糙度要求，不能滿足現(xiàn)在的“綠色低碳”理念[2]。

本文以噴油嘴噴孔為研究對(duì)象，采用k-ε模型、Mixture模型對(duì)磨粒流拋光過程中流場分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，通過仿真模擬試驗(yàn)探索了在一定磨料參數(shù)和工作壓力下不同磨粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)拋光微孔拋光壓力、磨料濃度、湍流強(qiáng)度等拋光結(jié)果的影響，并確定最優(yōu)的工藝參數(shù)，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)加工磨料的配比提供理論依據(jù)。

1 噴油嘴模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分

根據(jù)噴油嘴相關(guān)技術(shù)要求，利用Solidworks進(jìn)行三維建模，得到的三維模型見圖1。同時(shí)將模型保存為IGS格式，便于前處理軟件Hypermesh的導(dǎo)入。

由于噴油嘴管道較長，而研究的主體是噴嘴部分，相對(duì)于管道所占體積極小，因此為了減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算分析的效率，在保證不影響管內(nèi)流體流動(dòng)的前提下適當(dāng)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(chǎn)品設(shè)計(jì)性能提供了高交互式的可視化環(huán)境，與商業(yè)CAD、CAE系統(tǒng)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(yīng)用實(shí)體幾何，Hypermesh可以利用標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)步驟為四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格劃分模型進(jìn)行連接、分離和切割。本文利用Hypermesh中的solid map模塊對(duì)噴油嘴進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格參數(shù)及網(wǎng)格模型如表1所示。

圖1 噴油嘴三維模型

表1 噴油嘴網(wǎng)格參數(shù)

2 基本參數(shù)設(shè)置

2.1 求解參數(shù)設(shè)置

根據(jù)磨粒流加工工藝和網(wǎng)格的劃分，對(duì)噴油嘴磨粒流加工的數(shù)值模擬的求解方法設(shè)置為3D雙精度壓力基隱式定常求解方法。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(dāng)黏彈體的軟性磨料介質(zhì)，其密度為790 kg/m3。動(dòng)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(dāng)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(xù)介質(zhì)，服從質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。

2.3 操作環(huán)境設(shè)置

為了簡化模型，操作環(huán)境統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101 325 Pa，不考慮重力的影響。因5個(gè)噴嘴均勻環(huán)繞分布，因此將這5個(gè)噴嘴都設(shè)置為壓力出口，同時(shí)進(jìn)行模擬。

3 不同磨粒體積分?jǐn)?shù)條件下磨粒流拋光數(shù)值模擬

3.1 磨粒體積分?jǐn)?shù)設(shè)置

為探討磨料濃度對(duì)磨粒流拋光的影響，需對(duì)不同濃度下磨粒流拋光過程進(jìn)行模擬。但是由于Fluent只提供設(shè)置固相在液相中的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置，所以選用不同的sic相體積分?jǐn)?shù)來類比磨料的不同濃度，同樣具有一定的參考價(jià)值。綜合考慮實(shí)際加工情況，取磨粒sic相的體積分?jǐn)?shù)為0.2、0.3、0.5、0.6，出入口壓強(qiáng)分別為1、3 MPa進(jìn)行模擬。

3.2 仿真結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬，計(jì)算收斂后得到了固相sic在不同體積分?jǐn)?shù)條件下的液固兩相磨粒流拋光壓強(qiáng)分布云圖[12]，如圖3所示。綜合分析圖3發(fā)現(xiàn)：在不同的磨粒體積分?jǐn)?shù)時(shí)，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(dāng)磨粒體積分?jǐn)?shù)由0.3增加到0.6時(shí)，在噴孔入口處壓強(qiáng)減小的速率迅速增大；當(dāng)sic體積分?jǐn)?shù)為0.6時(shí)，磨料在進(jìn)入噴孔后的極小一段距離內(nèi)壓強(qiáng)由2.31 MPa迅速降到1.61 MPa，隨后緩慢地降到出口邊界壓強(qiáng)值。這是由于固體sic相體積分?jǐn)?shù)的增加使磨料的流動(dòng)性減弱，流動(dòng)阻力增加，對(duì)入口邊界提供的壓強(qiáng)有一定削弱作用。因此，磨料濃度過大時(shí)容易削弱對(duì)噴孔流道壁面的拋光效果，會(huì)過度增強(qiáng)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(xiàn)了一圈壓強(qiáng)異常低的環(huán)狀壓強(qiáng)分布區(qū)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(chǎn)生了“橋架”現(xiàn)象導(dǎo)致。由此可知：在磨粒流加工時(shí)，為保證加工質(zhì)量，不宜取過高的磨料濃度。

圖4為不同sic體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)條件下壓力分布云圖

圖4 不同磨粒體積分?jǐn)?shù)條件下流速分布云圖

綜合分析圖4發(fā)現(xiàn)：隨著磨粒體積分?jǐn)?shù)的增加，由主流道進(jìn)入噴嘴入口處的速度減小，同時(shí)噴孔流道內(nèi)的磨料的整體流速也減小。這是由于隨著磨粒固體體積分?jǐn)?shù)的增加，磨料的流動(dòng)性減弱，流動(dòng)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?jǐn)?shù)的磨料進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，y=0剖切面上磨料流動(dòng)的湍流強(qiáng)度分布云圖。

圖5 不同磨粒體積分?jǐn)?shù)條件下湍流強(qiáng)度分布云圖

由圖5可知，隨著sic相體積分?jǐn)?shù)的增大，從噴孔入口至噴孔出口之間，湍流強(qiáng)度的梯度數(shù)減少，噴孔流道內(nèi)的整體湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。這是由于磨粒體積分?jǐn)?shù)的增加(即粘彈性載體的體積分?jǐn)?shù)減少)，載體對(duì)磨粒的粘滯力減弱，使得磨粒運(yùn)動(dòng)的約束性減小而變得更加活躍，導(dǎo)致磨料介質(zhì)流動(dòng)時(shí)的紊亂程度增加。磨粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性越大，磨粒對(duì)流道孔壁產(chǎn)生的劃痕就更加錯(cuò)綜復(fù)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(yīng)綜合衡量，取適當(dāng)?shù)哪チ蠞舛戎怠?/p>

4 結(jié)論

本文以噴油嘴噴孔為研究對(duì)象，采用k-ε模型、Mixture模型對(duì)磨粒流拋光過程中流場分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，通過仿真模擬試驗(yàn)探索了在一定磨料參數(shù)和工作壓力下不同磨粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)拋光微孔拋光壓力、磨料濃度、湍流強(qiáng)度等拋光結(jié)果的影響。

結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1) 在密度、動(dòng)力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的工作壓力下，隨著磨料體積分?jǐn)?shù)的增加，磨料的流動(dòng)性減弱，流動(dòng)阻力增加，載體對(duì)磨粒的黏滯力減弱。

2) 在密度、動(dòng)力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的工作壓力下，隨著磨料體積分?jǐn)?shù)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(zhì)量。

3) 在密度、動(dòng)力黏度、磨粒密度及磨料直徑一定和在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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。

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