基于Fluent的喷油嘴倒锥孔磨粒流加工数值模拟

2021-05-21刘江黄晓斌何吕唐志雄

机械制造与自动化 2021年2期

刘江，黄晓斌，何吕，唐志雄

(中北大学 a. 机械工程学院； b. 山西省深孔加工工程技术研究中心，山西太原 030051)

0 引言

在发动机供油系统中，喷油嘴微小孔的加工质量直接影响发动机的燃油性能[1]。随着全球气候日益严峻，喷油嘴的生产加工也越来越严格[2]。新型改进的喷油嘴喷孔呈由内至外不断变小的倒锥形结构，这种设计结构对于喷油嘴的流量系数和雾化效果有非常显著的提升。目前，磨粒流加工因其较好的仿形效果，现已成为工业生产中关键零部件的主要加工方法[3]。因此，本文采用Fluent软件模拟喷油嘴内部磨粒流加工过程，为倒锥孔磨粒流加工及参数优化打下基础。

1 磨粒流加工机理

磨粒流加工(AFM)技术是一种以固-液两相介质混合而成的油性磨料，在密闭磨料缸中，油性液相介质裹挟着磨粒从喷油嘴内壁滑过，实现工件表面光整加工[4]。在抛光过程中，磨粒抛光角度与喷油嘴内表面的接触方式为随机分布，以微量切削方式实现表面抛光[5]。与传统减材制造相比，其表面材料去除率大幅降低，零件内部保持相对平衡的内应力，不会留下残余应力。

2 磨粒流湍流数学模型

假设流体和固体颗粒空间分布无空隙，流动过程满足时间和空间上的连续性。标准k-ε两方程模型由LAUNDER B E和SPALDING D B[6]提出，在标准k-ε模型中，湍动能k和耗散率ε对应的运输方程为：

(1)

(2)

式中：t为时间；ρ为流体平均密度；Gk和Gb均为湍动能k的产生项，分别由平均速度梯度和浮力引起；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；G1ε、G2ε和G3ε为模型系数；σk和σε为Prandtl数；Sk和Sε是工况定义的源项。

Gk由下式计算：

(3)

本文假设流体不可压缩，则Gb=0，YM=0。在标准k-ε模型中，模型系数G1ε、G2ε、G3ε、σk、σε分别为：

G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3

(4)

由以上分析，标准k-ε方程简化为：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中的Gk按式(3)计算，其展开式为：

(7)

3 喷油嘴倒锥孔仿真模拟

选用的磨粒流是由二甲基硅油和碳化硅颗粒按照7∶3的比例制成。其中，二甲基硅油充当黏弹性体的软磨介质，运动黏度范围为1.5～8.0 mm2/s，密度为0.79 g/cm3；碳化硅为磨料，密度为3.25 g/cm3。根据企业提供的数据，采用三维软件Pro/E构建零件内流道模型，如图1所示。将三维模型的igs文件导入ANSYS Workbench中进行四面体划分网格，如图2所示。

图1 喷油嘴内流道三维模型

图2 喷油嘴内流道网格模型

本计算考虑重力的影响，Gravity中修改y方向重力加速度为-9.81 m/s2；设置入口(pressure-inlet)和出口(pressure-outlet)边界条件，其余边界定义为wall。

3.1 稳态压强分析

利用Fluent模拟不同进口压力下喷油孔磨粒流动情况，得到如图3所示的在Z=0截面上的稳态压强图。通过观察可以看出，主流道内压强整体保持不变，而在喷孔处由内至外压强呈递减趋势，故流道表面去除率沿出口方向递减，更易加工倒锥孔与过渡圆角，有利于提高喷油嘴的雾化特性。随着进口压力的增大，流道内压力差增大，材料表面去除率不断增强。

图3 不同进口压力下的稳态压强图

3.2 湍动能分析

湍动能是湍流强度的度量，是流动稳定性的衡量标准。图4所示的是在Z=0截面上的湍动能分布图。磨粒流介质中湍动能越大，碳化硅颗粒运动越剧烈，其加工效果越好。从图4可以看出，湍动能较大的区域主要集中在喷孔处，因此此处磨削性能更强，加工效率也更高，在喷孔处可获得更符合加工指标的表面质量。

图4 不同进口压力下湍动能分布图

3.3 压力与速度关系分析

经过多组不同数据模拟，获得了如图5所示的不同进口压力下速度分布曲线图。由图可知，在介质运动黏度保持为1.72 mm2/s的条件下，随着压力的增大，喷油孔处的速度增大，边界磨粒流与加工表面之间的速度差增大，流道表面材料去除量增大，加工效率增强。因此，若要提高磨粒流加工速度，可以采取提高进口压力的措施。