磨削接觸區(qū)噴霧冷卻氣液兩相流場與溫度場仿真分析

張博,唐虎嬌,宿崇

(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.樂天創(chuàng)研(北京)科技有限公司 大連分公司,遼寧 大連 116014;3.瓦房店軸承集團有限責(zé)任公司,遼寧 大連 116399)

磨削是機械零件精密加工的主要方法之一,在精密加工領(lǐng)域占有重要地位[1]。一些難加工的材料(如陶瓷、微晶元件)磨削加工時因其高磨削比能導(dǎo)致熱量聚集在磨削區(qū)難以散出,造成材料熱損傷,降低工件的表面質(zhì)量[2]。因此,研究相應(yīng)的冷卻技術(shù)顯得尤為重要。

噴霧冷卻技術(shù)利用高壓氣體或依賴液體本身的壓力經(jīng)噴嘴將冷卻液霧化為微米級液滴噴射到熱表面。依靠射流沖擊、強對流換熱以及液滴相變帶走熱量[3]。經(jīng)噴嘴霧化過的液滴群直接作用更易于發(fā)生相變換熱,提高換熱系數(shù)。區(qū)別于液體直接冷卻,噴霧可以減小因熱沉引起的傳熱熱阻,因此該方法被認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ц邿崃髅芏壤鋮s方式。

Tawakoli等[4]研究了霧化參數(shù)對磨削性能的影響,研究得出霧滴質(zhì)量流量和噴射距離對霧滴穿透能力有一定的作用。Jia等[5]開展了噴霧液滴動力學(xué)與傳熱試驗研究,結(jié)果表明同種流體介質(zhì)下采取添加劑可以使銅工件表面過熱性降低。Bouri等[6]建立了流體動力學(xué)模型,比較了不同流速和入口壓力對刀具熱效應(yīng)的影響,研究表明介質(zhì)流速受壓力影響,壓力越大刀具冷卻效果越好。毛聰?shù)萚7]建立溫度場數(shù)學(xué)模型,并采用熱電偶測量軸承鋼磨削溫度,得出霧滴的直徑和速度與壁溫?fù)Q熱特性的關(guān)聯(lián)。劉波等[8]通過計算流體動力學(xué)軟件模擬磨削工件表面射流沖擊的對流換熱過程,得出射流位置、速度和角度對強化對流換熱的影響。侯艷[9]研究不同噴嘴數(shù)量工況下霧化特性和壁面換熱效果,發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴數(shù)量的增加,壁面平均熱流密度也會增加。

不同于金屬材料,陶瓷材料的去除機理復(fù)雜,磨削時導(dǎo)熱性差,導(dǎo)致陶瓷磨削表面產(chǎn)生微裂紋。本文采用CFD法分析噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化流場的影響,利用獲得的最佳幾何噴嘴建立磨削流場仿真分析模型,探究霧化參數(shù)對陶瓷材料表面降溫的影響。

1 基礎(chǔ)工況理論分析

1.1 質(zhì)量流量計算分析

質(zhì)量流量是指單位時間內(nèi)流體通過噴嘴內(nèi)封閉管道或開槽壁面的有效截面的流體質(zhì)量[10]。質(zhì)量流量和體積流量(單位時間內(nèi)流體通過的體積)的對應(yīng)關(guān)系是質(zhì)量流量等于體積流量與流體密度的乘積:

(1)

式中:Vs為體積流量;u為流速;d為噴嘴管道內(nèi)徑。

Ms=ρVs

(2)

式中:Ms為質(zhì)量流量;ρ為流體密度。

(3)

式中:Mt為單位時間內(nèi)流體質(zhì)量流量的累積值。

經(jīng)以上公式換算可知質(zhì)量流量的數(shù)值受噴嘴管道內(nèi)徑和流體密度這兩個參數(shù)的約束。因為不同介質(zhì)所對應(yīng)的密度不同,質(zhì)量流量的數(shù)值會當(dāng)成變量來進行多組計算。

1.2 霧化參數(shù)計算分析

液滴的霧化主要包含液膜形成、破碎、擴散幾個階段。其破碎過程受慣性力、空氣黏性、噴嘴壁面摩擦力和各種張力的影響。同時,氣壓的湍流涌動也會使液滴破裂成更微小的液滴形式,入射壓力越大,液滴的初始動能也就越大,破碎效率也隨之增高。液滴表面所受空氣動力Fd可表示為[11]:

(4)

式中:Ud為氣液間運動速度差;CD為阻力系數(shù)。

在計算時考慮到液滴體積占比小和噴射無法預(yù)測的問題,通常會把液滴看成離散相。利用Fluent軟件中DPM(Discrete Phase Model)模型分析霧滴的運動特性。

綜上所述,噴嘴霧化特性主要包含霧化壓力ρ、冷卻介質(zhì)流量G、液滴粒徑d32、液滴速度v、液滴密度n、液滴數(shù)量通量N等。各參數(shù)之間關(guān)系為[12]:

(5)

式中:霧化壓力ρ、液滴速度v、液滴粒徑d32均為變量,參數(shù)之間相互影響,對霧化效果影響較大。因此仿真研究了ρ,v等參數(shù)對壁面換熱的影響。

2 數(shù)值模型設(shè)計與計算

2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)選擇與模型建立

本文研究的噴嘴類型為壓力型霧化噴嘴,影響噴嘴霧化性能的因素包含噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)、噴嘴孔徑和噴霧壓力等。本節(jié)研究噴嘴孔徑和噴嘴長度兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴射效果的影響。模型中濾芯和噴嘴結(jié)構(gòu)體分別承擔(dān)液體及氣體輸送。其原理為壓縮空氣經(jīng)氣體流道進入噴嘴腔內(nèi)與液體混合,通過動能交換使液體破碎成液滴從噴嘴噴出,噴嘴整體模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 噴嘴整體模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2為噴嘴全局計算域網(wǎng)格模型。本文對流體域中間部分網(wǎng)格進行了細(xì)化,網(wǎng)格數(shù)量約為136 萬。數(shù)值模型的創(chuàng)建包含噴嘴內(nèi)部流場和外部霧化流場。將噴嘴結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入SpaceClaim軟件,通過切分重組流體域獲得噴嘴外部流場的模型。外部流體域邊界寬度為100 mm、長度為200 mm。噴嘴尾部(X軸起點)為壓力入口,流體域底部(X軸終點)為壓力出口。噴嘴壁面設(shè)置為無滑移壁面邊界。

圖2 噴嘴全局計算域網(wǎng)格模型

液滴入射速度受供給壓力影響,供給壓力越大液滴入射速度越快,但壓力過大會造成磨削液霧化嚴(yán)重,反而降低冷卻效果。普通磨削加工中噴嘴的供給壓力不超過0.5 MPa,參考該范圍將初始值設(shè)定為0.1、0.2、0.3 MPa。噴嘴出口直徑分別取1、1.5、2 mm。密度采用理想氣體可壓縮定律,黏度為理想氣體混合定律,質(zhì)量擴散率依據(jù)氣體動力學(xué)理論[13]。流體域介質(zhì)為空氣與水混合,環(huán)境溫度為大氣壓溫度300 K。

Gupta等[14]研究指出:霧滴的速度必須大于砂輪旋轉(zhuǎn)的速度才能穿透氣流場進入磨削區(qū)。因此,考慮砂輪高速旋轉(zhuǎn)引起的氣流場影響,噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)的選用至關(guān)重要。不同噴嘴出口直徑速度云圖見圖3,噴嘴出口直徑對噴射速度影響曲線見圖4。可以看出,在等值壓力下,不同噴嘴出口直徑影響外部流場流速,出口直徑2 mm比1 mm的出口流速高出將近40 m/s。圖5所示為不同噴嘴口長度的計算結(jié)果。與噴嘴出口直徑相比,噴嘴口長度對出口噴霧流速影響效果較小。根據(jù)上述分析,確定設(shè)定參數(shù)范圍內(nèi)最優(yōu)的噴嘴出口直徑為2 mm,長度為13 mm。

圖3 不同噴嘴出口直徑速度云圖

圖4 噴嘴出口直徑對噴射速度影響曲線

圖5 噴嘴長度對噴射速度影響曲線

2.2 流場噴霧模型仿真設(shè)計與建模

利用上述仿真獲得最佳噴嘴幾何參數(shù),建立陶瓷磨削噴霧冷卻流場分析模型。模型參數(shù)如下:噴嘴出口直徑大小為2 mm;噴射源高度為15 mm;砂輪直徑為200 mm;砂輪線速度為30 m/s;流體介質(zhì)為水基磨削液;噴嘴入口壓力為0.1、0.2、0.3 MPa;噴霧霧化角為15°、20°、25°;質(zhì)量流量為0.000 25、0.000 5、0.000 75 kg/s。陶瓷材料的密度為5 500 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為3.5 W/(m/K),比熱容為660 J/(kg/K),泊松比為0.3。砂輪和工件表面賦予溫度邊界,取值范圍參考文獻[15],將溫度初始值設(shè)為500 K。

本文對仿真模型作以下假設(shè):①假設(shè)工件材料材質(zhì)均勻,換熱系數(shù)和熱容量為初始常量,不受輻射影響。②文獻[16]通過磨削試驗測量砂輪表面粗糙度對氣流場壓力影響較低,因此對砂輪地貌不予考慮。③液滴在連續(xù)相運動時會受到不同力如重力、慣性力等的作用影響?？紤]到重力影響最大,因此計算過程開啟重力模式進行瞬態(tài)仿真。

3 結(jié)果與分析

3.1 入射壓力對氣流場的影響

圖6展示了在等值壓力下噴霧沖擊磨削接觸區(qū)速度場的情況。從圖6可以看到,在右側(cè)出口處,由砂輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流會形成一定的加速作用,帶動出口氣流形成負(fù)壓力來抽吸噴射的流體,從而沖擊砂輪與工件表面區(qū)域。磨削區(qū)局部速度場和速度矢量場見圖7。從圖7可以看出,砂輪的高速旋轉(zhuǎn)會在磨削區(qū)引起返回渦流,渦流會與噴霧氣流發(fā)生耦合,間接使射流呈現(xiàn)抬高趨勢,阻礙噴霧進入磨削區(qū),導(dǎo)致區(qū)域換熱的能力受到抑制。

圖6 噴霧冷卻速度場云圖

(a) 速度場

(b) 速度矢量場圖7 磨削區(qū)局部速度場及速度矢量場

根據(jù)流體動力學(xué)理論,通過提高入射壓力,噴嘴噴射的流體會突破由砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流層,當(dāng)液滴以極高的速度超過砂輪旋轉(zhuǎn)的速度時,噴霧會穿透氣流層抵達(dá)磨削區(qū)。

3.2 入射壓力對工件表面換熱系數(shù)的影響

不同入射壓力對壁面換熱系數(shù)影響曲線見圖8。從圖8可以看出,在磨削接觸區(qū)中心左側(cè)35 mm以外,因砂輪轉(zhuǎn)速作用導(dǎo)致近壁氣流抬升,對流換熱能力減弱,降溫趨勢緩慢。當(dāng)射流沖破返回流進入磨削區(qū)后,也就是磨削接觸區(qū)中心左側(cè)20～35 mm,由壓力帶動的氣流效應(yīng)使液滴沖擊工件表面,能看出表面換熱系數(shù)與射流壓力存在正比關(guān)系。文獻[17]指出:使用高壓射流沖擊進行對流換熱時,工件臨界熱流密度和換熱系數(shù)分別提高70和30倍以上。這說明入射壓力對工件表面換熱有顯著影響。

圖8 不同入射壓力對壁面換熱系數(shù)影響曲線

3.3 噴嘴霧化角對工件表面溫度的影響

噴嘴霧化角的變化會影響霧化粒徑以及液滴的軸向貫穿距離,液滴在磨削區(qū)內(nèi)分布的變化會影響液滴和工件之間的換熱,從而影響降溫效果。

如圖9所示,在相同噴射壓力、不同噴霧角的作用下,磨削接觸區(qū)中心至左側(cè)區(qū)域溫度分布曲線基本一致,工件表面最低溫度分布隨著霧化角的減小而降低。受旋轉(zhuǎn)氣流影響,接觸區(qū)中心間隙處會存在負(fù)壓力,而右側(cè)區(qū)域在外部氣流的帶動作用下,液滴在工件表面分布不勻造成溫度曲線波動。噴霧角小反而降溫效果稍顯著,這是因為液滴會受噴霧角增大以及流場的影響擴散并逃離計算域,不能作用在工件表面,導(dǎo)致?lián)Q熱效果的降低。

圖9 不同噴嘴霧化角對壁面溫度影響曲線

3.4 質(zhì)量流量對工件表面溫度的影響

當(dāng)噴射的液滴超出噴嘴一定距離時,液滴速度會逐漸趨向平穩(wěn),約為30 m/s。為驗證不同質(zhì)量流量對工件表面溫度的影響,分別取30、40 m/s和0.001、0.002 kg/s兩組數(shù)據(jù)進行交叉仿真計算。

圖10為不同液滴入射速度、質(zhì)量流量下工件表面降溫情況。從圖10可以看出,影響最大的區(qū)域在最小間隙左側(cè)約20 mm附近。由于間隙狹小,沖破氣流層的大部分液滴會被阻礙在這片區(qū)域。從溫度分布曲線也能看出這部分降溫最明顯。這是因為液滴在高壓氣體的作用下提升了入射速度, 而質(zhì)量流量的增加也提高了進入磨削區(qū)的液滴量[8], 進而能夠沖擊砂輪表面的氣流層。當(dāng)微液滴群噴射到熱表面,依靠高壓沖擊所帶來的強對流、易于霧滴的相變換熱,可以達(dá)到很好的冷卻效果[18]。

圖10 不同質(zhì)量流量對壁面溫度影響曲線

參考多噴嘴噴霧冷卻試驗, 流體質(zhì)量流量的增加會使得表面換熱系數(shù)增加,溫度也會隨之降低。文獻[19]指出,液體質(zhì)量流量的提高會消除或推遲換熱惡化,即提高了表面換熱效果的穩(wěn)定性。對比試驗結(jié)果說明流體質(zhì)量流量影響工件表面降溫效果,這與上述仿真分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

采用流體動力學(xué)法分析了壓力型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化流場的影響,得出了仿真設(shè)定范圍內(nèi)的最佳噴嘴口徑和噴嘴長度。利用獲得的最佳噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù),建立陶瓷磨削噴霧冷卻流場分析模型。研究入射壓力、噴嘴霧化角、質(zhì)量流量對工件表面溫度場的影響。仿真結(jié)果表明:噴射壓力影響液滴入射速度,液滴速度越快,穿透力越好,工件表面換熱能力以及降溫效果越顯著;在氣流場作用下,噴嘴霧化角度小會增大進入磨削區(qū)的有效液滴量,強化換熱效果。質(zhì)量流量的增大增加了進入磨削區(qū)的液滴量,提升了工件表面冷卻效果。