三相旋流抛光磨粒运动的测量与微气泡补偿

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道,对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台,并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数,获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示:在微气泡补偿区域,磨粒速度主要集中在30m/s到80m/s,同一测量点高速磨粒出现频率明显增加,少数磨粒速度达到100m/s以上;磨粒平均速度从33.8m/s增大到44.2m/s,经4h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4μm下降到1.3μm。理论和试验研究表明,气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能,提高抛光效率,实现B区域的均匀化抛光。     

固液两相流体流速热力学数值分析

以磨粒流加工非直线管为研究对象,通过对固液两相流热力学能量平衡方程的数学分析和非直线管内部通道固液两相磨粒流抛光的流动传热特性及相应的表面加工特性进行数值模拟,可获得不同入口速度条件下的非直线管通道近壁面处的湍流动能、湍流强度、湍流粘度、动态压强分布云图及速度与湍流动能、速度与温度之间的对应关系,藉此研究多物理耦合场条件下固液两相磨粒流加工热力学特性,为实现磨粒流抛光表面质量控制技术提供理论基础。     

气液固三相湍流环境中气泡破裂对SiC颗粒的影响研究

为解决气液固三相磨粒流抛光加工中气泡破裂对Si C颗粒运动的可控性研究等问题,研究了气液固三相流中近壁面微纳米气泡破裂对周围流场和颗粒的影响,采用Fluent软件中多相流体体积模型与可实现k-ε湍流模型,建立了气液固三相颗粒流气泡破裂动力学模型,得到了气泡破裂对壁面和颗粒的作用规律。利用流场中气泡破裂产生的高速射流对周围颗粒的扰动作用,提高了颗粒切削工件表面动能。研究结果表明:气泡初始直径越小或气泡与颗粒之间的距离越小,都使气泡破裂所产生的局部射流对周围颗粒的影响越大;可为流体精密加工、空蚀、气泡可控性研究提供参考。     

声悬浮抛光磨粒微流场研究

为了解决纳米试样超光滑表面的制备问题,将能提供稳定声压场的声悬浮抛光技术应用到流体抛光中,开展了声压场和磨粒流场之间关系的分析.利用Matlab/PDE工具箱对抛光装置内部声压仿真的方法,对比不同反射端对抛光槽声压场的影响,优化了适合抛光的反射端形状尺寸和发射端与反射端之间的距离.利用PIV测试分析了磨粒流场与声压场的相关性,建立了声压场和磨粒流场之间的关系.试验结果表明,磨粒的运动方向与声压等势线大致相同,而且磨粒的最大速度与声压大小成正比.     

基于超声波激振强化的软性磨粒流光整加工模拟与试验研究

为了提高软性磨粒流加工过程中的湍流强度分布均匀性与材料去除率,提出一种基于超声波激振湍流强化的软性磨粒流光整加工方法。在磨粒流约束流道内引入超声激励,利用超声波的空化效应控制流道内的流体流态。建立考虑液固及声场耦合的磨粒流加工动力学模型,对其加工过程中的流场特性进行了模拟研究,并搭建超声强化磨粒流加工试验平台进行验证。数值仿真结果表明,非定常流场可获得更为均匀的速度矢量和湍动能分布,超声波激振引起空化效应能够有效地增强软性磨粒流的湍流强度和避免加工死角的出现,同时揭示湍流增强导致磨粒流动轨迹复杂多变是加载超声波激振抑制磨粒流的过加工和粗糙度值翘尾现象形成的原因。加工试验表明,该方法可减小加工时间约6 h,能够得到更为均匀的表面质量。     

三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题,本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群,利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法,建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型,数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性,得到了工件表面气泡溃灭的分布规律,并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明,通入微尺度气泡群后,平均速度从12.50~13.50m/s提升至15.00~17.00m/s,最高平均速度可达20.00m/s以上。对比加工实验显示,经8h加工后,粗糙度从0.50μm降低到0.05μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。     

磨粒流研抛不锈钢弯头内壁流场仿真分析

针对磨粒流在弯管类零件中抛光效果受压强影响磨削不均匀的问题,采用固-液两相湍流模型,对不同初始压强条件下弯头内磨粒流流场特性进行数值模拟研究。通过运用ANSYS Fluent15.0软件,对比4种不同初始压强条件下的动态压强、壁面剪切应力及磨粒流速度的分布,分析抛光效果的变化情况。研究结果表明:适当增加初始压强可提高内壁抛光效果,内侧壁面抛光效果明显优于外侧壁面,为实际研抛不锈钢弯头提供了可靠依据。     

复杂曲面软性磨粒流抛光可行性研究

提出基于软性磨粒流的复杂曲面与约束模块相配合的高精密抛光加工方法。使磨料高速高压通过经过设计的流道,利用液固两相软性磨粒流中磨粒的微量切削力加工复杂曲面,从而克服复杂曲面直接接触抛光的困难。以计算流体力学(CFD)的理论作为进行流体仿真的理论基础。建立了复杂曲面与约束模块组成的流道三维模型。通过前处理软件ICEM CFD画出三维模型的网格。将网格文件导入流体分析软件FLUENT。在FLUENT中采取Mixtrue两相流和k-ε湍流模型对涡轮整体叶盘的磨粒流抛光进行流场的三维数值模拟,获得流场中磨料的流动模式。主要对不同压力差下流场的压力场和湍流动能进行分析,得到出入口压强差对磨料的流动细节和特性的影响,从而达到对流场进行分析的目的。     

喷油嘴微孔磨粒流抛光数值模拟与试验

以喷油嘴喷孔为研究对象,采用kε固液两相Mixture湍流模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟,并通过正交试验探索了抛光压力、磨料浓度、磨粒粒径及加工时间等工艺参数对被抛光微孔表面粗糙度的影响规律。结果表明：喷油嘴微孔磨粒流单向循环抛光加工有利于改善喷孔结构;流道表面粗糙度与各加工参数均成负相关关系,且受抛光压力及磨料浓度影响显著。通过试验获得了最优参数组合,在此条件下喷油嘴微孔表面粗糙度值(Ra)由初始的1.16μm降至0.20μm。     

基于湍流分散的磨粒流场分析及加工实验研究

针对钛合金人工关节表面软性磨粒流加工问题,对磨粒流加工流场中的磨粒运动仿真方法进行了实验研究。首先,根据欧拉法,在经典N-S方程的基础上推导出了RANS方程,结合标准k-ε湍流补充方程共同构建了湍流模型;然后,根据拉格朗日法,建立了单颗磨粒的运动方程,在此基础上提出了一种湍流分散方法来重新构建湍流速度脉动,运用欧拉-拉格朗日法对固液两相进行了耦合,借助COMSOL软件对磨粒流加工流场进行了模拟仿真,对流场速度分布、压力分布以及磨粒运动轨迹等仿真结果进行了讨论和分析;最后,搭建实验平台进行了加工实验。研究结果表明:湍流分散方法能有效还原湍流的速度脉动特征,磨粒的运动仿真结果在一定程度上符合实验中磨粒的运动情况,磨粒流对钛合金人工关节表面具有良好的加工效果。     

气-液-固三相磨粒流光整加工及其工艺参数优化

考虑用流体抛光法加工大尺度工件存在效率低下问题,本文提出了一种气-液-固三相磨粒流抛光方法。该方法在约束流场中引入微纳米气泡,利用气泡在溃灭时释放的能量加速驱动磨粒运动,从而有效提升抛光效率。实验显示:在加工过程中,离心泵的发热会导致流体黏度下降,进而影响工件近壁面的湍动能和动压力的大小及分布,而加工工件近壁面的湍动能和动压力会对表面纹理的均匀性和材料的去除效率有重要影响。针对上述实验结果,文中基于对磨粒流抛光机理的研究,提出一种通过改变入口流速来补偿温升带来的湍动能和动压力变化的方法,实验求得了抛光流体温度从20℃到60℃之间的9个均等点对应的最优入口流速值。实验表明,相对未加入气泡时,该抛光方法的加工效率得到提高,而调速补偿明显提升了工件表面加工质量。     

低黏度液-固两相磨粒流湍流调控与结构化表面光整加工技术研究

针对结构化表面不易采用工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于低黏度液-固两相磨粒流的精密光整加工新方法。该方法采用约束模块与被加工结构化表面构成磨粒流流道,将低黏度液体与微细磨粒按照一定体积分数混合形成液-固两相磨粒流,当磨粒流以湍流状态流经所构建的流道时,通过磨粒微力微量切削的频繁作用实现流道表面的逐步光整加工。由于磨粒流在湍流状态下易于实现表面加工纹理无序化,从而提高表面质量,因此对比研究了约束模块优化前后所构成的流道中磨粒流的压力分布、速度分布和湍动能分布,得出优化设计后的约束模块易于形成均匀湍流的结论。在自行搭建的低黏度液-固两相磨粒流加工装置上进行了光整加工试验,结果表明,经过50h的光整加工,工件表面粗糙度由Ra=93.28nm减小到Ra=42.78nm,从而证明了该方法的可行性和有效性。     

溢流管结构对三相分离器分离效率的影响

针对柱状气-液-固三相旋流分离器(GLSC)内部复杂的流场分布,借助CFD软件,研究了溢流口处气相体积分数和侧向出口处固相体积分数的分布趋势。通过数值模拟方法,得到了GLSC的气相、固相分布特点,分析了结构参数中溢流管直径Do和溢流管伸入长度Lo对GLSC分离性能的影响。在试验过程中,验证了结构参数的改变对于GLSC分离性能的影响。研究表明,入口流量为1.1m3/h时,该GLSC具有较好的分离效果。     

磁场复合电解加工流场分布特性的数值模拟

采用欧拉-欧拉多流体方法,对磁场复合电解加工的气液两相流进行了数值模拟,研究磁场作用下电解质流场流速、气泡体积分数分布等流体力学信息.仿真表明,静液状态时,在磁场的作用下,液相产生了流速,流速呈环状分布,气相呈搅拌状分布.入口添加流速后,在低流速下,液相速度仍呈环状分布,气相呈搅拌状分布;在较高流速下,液相和气相的分布与无磁场时的分布相近.     

Softness abrasive flow method oriented to tiny scale mold structural surface

Tiny scale mold structural surface finishing is of high difficulty. In allusion to the problem, a new no-tool precision finishing method based on solid–liquid two-phase softness abrasive flow (SAF) is brought forward. By setting restrained component for the structural surface machined, the restrained flow passage is constructed. Using the wall effect of SAF, no-tool precision finishing for tiny scale structural surface can be realized. According to the Nikuradse’s experimental principles, the motion regulars of SAF are studied, and the friction coefficient formulas suited for SAF finishing are obtained. Taking U-shaped restrained flow passage as instance, standard k-ε model and Euler multiple-phase model are used to describe the SAF flow field, and the kinetic model of SAF is established based on discrete phase model. Then, the variation trends of SAF turbulent parameters and flow passage pressure distribution with different inlet velocities are acquired by semi-implicit method for pressure-linked equations consistent algorithm. Numerical simulation results derived that pressure attenuation of solid phase in flow passage is inversely proportional to inlet velocity, and the motion trails are disordered and stochastic, which are the sufficient conditions of SAF finishing. By analyzing pressure distribution and turbulent characteristics of SAF, the best finishing area in restrained flow passage is gained. Observational experiment of particles motion had been carried out; experimental results showed particles’ motion satisfied requirements of SAF finishing, and feasibility of SAF could be proved theoretically. SAF experimental platform oriented to module structural surface finishing is constructed, and the nano-level finishing can be realized. Experiment results show that SAF method can increase mold structural surface precision more than ten times, and the roughness machined in Ra value is less than 62?nm.     

钛合金薄壁曲面液态金属-磨粒流加工仿真与试验研究

针对钛合金薄壁曲面工件磨粒流抛光后表面粗糙度分布不均匀的问题,提出一种基于液态金属的磨粒流加工方法。基于SST k-ω模型、OKA冲蚀模型,流体流动颗粒追踪模型,采用COMSOL有限元软件对不同电场布置下的液态金属-磨粒流动力学特性开展深入研究。仿真结果表明,通过电场的合理布置可以控制液态金属颗粒在流场中运动;合理的电场布置可以有效提高工件表面加工均匀性,并通过仿真得出了一组冲蚀较好的试验参数。基于仿真结果开展了液态金属-磨粒流加工试验,试验结果表明：液态金属-磨粒流加工方法可有效提高工件表面加工的均匀性。在加工14 h后,不加电场的磨粒流加工表面不同区域的粗糙度分布不均,工件凹陷处粗糙度明显大于凸起处,各区域表面粗糙度极差达到66.1 nm。使用液态金属-磨粒流加工后的工件表面各区域粗糙度的均匀性明显提高,各区域表面粗糙度极差减小为20.3 nm,为液态金属-磨粒流加工的开展及其调控提供了理论和试验依据。     

模具异型腔内超声空化特性的仿真研究

为进一步研究超声波对模具异型腔内气液混合相的作用,有效提高抛光效果,本文基于CFD,应用软件FLUENT6.3建立模具异型腔内超声抛光的模型。运用k-ε模型、气液两相流空化模型,模拟计算出模具异型腔内抛光介质在低压区的分布以及空化气泡的形成区域及其形成机理,确定了一定的空化现象的发生将有助于提高超声波抛光的精度。