小孔流道内容积交变空化流场特性分析
2023-10-18张博李富柱王匀申坤伦胡龙飞许江琦张恒杰
张博，李富柱，王匀，申坤伦，胡龙飞，许江琦，张恒杰
小孔流道内容积交变空化流场特性分析
张博，李富柱*，王匀，申坤伦，胡龙飞，许江琦，张恒杰
（江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000）
基于容积交变空化原理，研究小孔流道内容积交变空化流场的演变规律，以及容积交变频率和容积变化量等关键工艺参数对流场特性的影响，为容积交变空化抛光小孔内表面提供指导。首先，建立小孔流道内容积交变空化流场的三维瞬态仿真模型。其次，采用标准k-epsilon模型、Zwart-Gerber-Belamri模型模拟不同容积交变频率和容积变化量下容积交变空化流场含气率和湍流强度，并与高速摄像结果进行比较分析。最后，对机械加工的Al 1060和T2 Cu小孔内表面进行抛光，验证容积交变空化抛光小孔内表面的可行性。在一个周期内，当容积变化量为20 mm，容积交变频率分别为90、100、110、120 Hz时，小孔流道内容积交变空化流场含气率和湍流强度均随容积交变频率的增大而增大，含气率最高可达0.664 8；当容积交变频率为120 Hz，容积变化量分别为10、15、20、25 mm时，小孔流道内容积交变空化流场含气率和湍流强度均随容积变化量的增大而增大，含气率最高可达0.706 8。随着活塞的拉伸和压缩，湍流强度也由两边强、中间弱逐渐转变为两边弱、中间强，并在周期末达到最大。实验研究表明，经过容积交变空化抛光后，Al 1060小孔内表面的粗糙度由0.704 4 μm降低到0.324 7 μm，T2 Cu小孔内表面的粗糙度由0.721 4 μm降低到0.357 3 μm，小孔内表面粗糙度明显降低。容积交变空化抛光小孔内表面具有可行性。可通过提高容积交变频率和容积变化量来提高小孔流道内容积交变空化流场含气率和湍流强度，进而提高容积交变空化抛光小孔内表面的抛光效率。
小孔流道；容积交变空化流场；含气率；湍流强度；空化强度；容积交变频率；容积变化量
抛光加工作为降低工件表面粗糙度、提高工件表面质量的重要手段，是超精密加工技术领域的研究热点和前沿方向[1]。超精密抛光后，工件表面粗糙度可达到10−1nm级[2-3]。
小孔内表面作为组成机械零件的重要表面之一[4]，其质量严重影响着小孔类零部件的高使役性能[5-6]。小孔内表面常用的抛光方法有珩磨、滚压、抛光轮加工等[7]，但这些方法存在抛光效率低、不适用于异型小孔内表面抛光等问题。磨粒流抛光（Abrasive Flow Polishing，AFP）技术虽然加工精度高、不受加工零件形状的限制[8]，但由于磨粒流本身高黏度、假塑性的特性，在抛光小孔内表面时极易出现磨粒结块、切削力过大的现象，进而导致“过抛”、“欠抛”等加工质量问题[9-10]。
空化是液体流动过程中局部压力低于饱和蒸气压时液体内部或液固交界面上出现的空泡初生、发展、溃灭的现象[11-12]。在空化过程中，空泡溃灭瞬间局部温度可高达10 000 K，局部压力可达到0.1 GPa[13]，并会形成强烈的冲击波和速度高达100 m/s的微射流[2]。利用空泡溃灭产生的冲击波和微射流来对工件表面进行抛光，这一方法受到了越来越多学者的关注。Matsumoto等[14]和Preece等[15]基于高速摄影技术研究了壁面附近空泡的溃灭过程，研究表明，靠近壁面的空泡溃灭时产生的冲击波和微射流会对壁面产生冲击作用力。Hutli等[16]、Chen等[17]、Nagalingam等[18]利用水力空化对工件表面进行抛光，有效降低了工件表面的粗糙度。计时鸣等[19]利用超声空化强化磨粒流对工件表面进行冲击，在降低工件表面粗糙度的同时提高了磨粒流的加工效率。Toh[20]研究发现，超声空化可有效降低不锈钢铣削过程中毛刺的高度。陈铁牛等[21]采用激光空化对0.5 mm的304不锈钢微孔进行了抛光，研究表明，抛光过程是激光等离子冲击波、空化激波及微射流共同作用的结果。尽管有关超声空化、水力空化、激光空化等方法对材料表面进行抛光的研究取得了一定进展，但受空化发生方法的影响，其作用范围具有明显的不确定性，很难应用于大深径比小孔内表面的抛光。
本课题组提出了一种新型容积交变空化发生方法，其发生原理如图1所示。该方法利用活塞的往复运动改变密封腔的体积以形成压力交变[22]，进而形成容积交变空泡，可解决大深径比小孔内表面精密抛光的技术难题。容积交变空化流场的特性直接决定着容积交变空化抛光技术的抛光效果，故本文对小孔流道内容积交变空化流场特性进行了分析，探究其演变规律及容积交变频率和容积变化量等关键工艺参数对流场特性的影响，以期为容积交变空化抛光小孔表面提供指导。其中，容积交变频率为活塞来回拉伸的运动频率，容积变化量用活塞运动的行程来表示。
1 数值模型
1.1 物理模型
以小孔流道内的流体域为研究对象，利用Solid Works进行几何建模，建立的容积交变空化物理模型如图2所示。
1.2 数学模型
当发生容积交变空化时，小孔流道内的流体为液气混合流，考虑到液态水和空泡之间的相互作用，选用Fluent软件对容积交变空化流场进行模拟。小孔流道内容积交变空化流场为复杂多相流新型空化流场，因此，采用多相流Mixture模型，两相分别为水和水蒸气；选用标准k-epsilon模型、Zwart-Gerber-Belamri模型模拟流体在小孔流道内的流动；采用基于压力的隐式求解器进行瞬态求解。
图1 容积交变空化发生原理
图2 容积交变空化物理模型
1.3 边界条件和网格划分
边界条件选择动网格中的In-Cylinder模型，曲柄转速设置为6 000 r/min，曲柄半径设置为10 mm，连杆长度设置为25 mm。通过网格划分软件ICEM进行空间六面体网格划分，如图3所示。为了精确反映小孔流道内容积交变空化流场的变化情况，对小孔流道内流域进行网格加密处理，网格总数为766 801。
图3 网格划分
2 结果与分析
2.1 容积交变空化流场演变
2.1.1 容积交变空化流场含气率
含气率是目前衡量流场空化强度的主要指标，一个区域的含气率越大，说明空化强度越大[23]。对1个大气压（101 325 Pa）下，容积交变频率为100 Hz，容积变化量为20 mm，且充满流体介质的小孔流道内容积交变流场进行模拟。当容积变化量最大时，容积交变空化流场的含气率分布情况如图4所示。随着活塞的拉伸，密封腔体积增大，小孔流道两端的压力急剧下降，流体介质由液相转变为气相，故小孔流道两端的含气率最大。从小孔流道两端到流道中心，由于压力下降速率变慢，故流体介质由液相转变为气相的能力减弱，含气率逐渐下降。
图4 容积变化量最大时的含气率分布
小孔流道中心轴线上一个周期的含气率分布情况如图5所示，其中，0 mm处为小孔流道中心位置。由图5可知，当时间和位置不同时，小孔流道内含气率会发生变化。在0～5 ms时，活塞处于拉伸阶段，随着密封腔体积的增大，小孔流道中的液相不断转换为气相，使小孔流道内的含气率不断提高。但由于小孔流道中心轴线上的压力下降速率不同，故小孔流道内轴线上的含气率分布情况也不同，整体呈中间低、两边高的分布趋势。在5～8.75 ms时，活塞处于压缩阶段，密封腔体积减小，压力增大，导致空泡开始溃灭。在空泡溃灭的同时，活塞区域的空泡也从两端进入小孔流道，故小孔流道内含气率的上升速率逐渐变慢，小孔流道两端的含气率与中间的含气率逐渐持平。在8.75～10 ms时，活塞进一步压缩，大量从活塞区域进入小孔流道的空泡在小孔流道两端就开始溃灭，故小孔流道内的含气率开始下降，流道中心的含气率开始高于流道两端的含气率。
图5 小孔流道内中心轴线上一个周期的含气率分布
2.1.2 容积交变空化流场湍流强度
湍流强度的变化情况也体现了小孔流道内空化强度的变化情况[24]。当发生容积交变空化时，容积交变空泡的初生、发展、坍塌、溃灭过程会引起小孔流道内容积交变空化流场发生扰动，使脉冲压力增大，湍流强度也相应增大。在活塞运动的一个周期（）内，对1/4、1/2、3/4和时刻的湍流强度进行观测，其结果如图6所示。
由图6可知，在1/4与1/2时刻，活塞处于拉伸阶段，小孔流道内的流体介质在负压的牵引下向孔腔两端分层流动，并伴随着容积交变空泡的初生和发展。在3/4与时刻，活塞处于压缩阶段，流体介质从小孔流道两端进入，伴随着容积交变空泡坍塌和溃灭。当容积交变空泡坍塌、溃灭时，会产生微射流和冲击波，从而对整个流场产生扰动，导致湍流加剧，小孔流道中流体介质的流动开始紊乱。此外，流体介质从小孔流道两端进入后会在小孔流道中心相碰，碰撞后的部分空泡会随着流体介质做发散运动，在运动过程中，空泡坍塌、溃灭时产生的微射流和冲击波会朝着壁面运动，进一步提升对壁面的空化作用效果。
图6 容积交变空化流场中湍流强度的周期性变化
2.2 工艺参数对容积交变空化流场的影响
2.2.1 容积交变频率
容积交变频率作为影响容积交变空化流场的重要工艺参数之一，直接影响着容积交变空化对小孔内表面的抛光效果。为此，对容积变化量为20 mm，容积交变频率分别为90、100、110、120 Hz的容积交变空化流场进行模拟。容积变化量最大时含气率的值域分布情况如图7所示。可知，小孔流道内容积交变空化流场的含气率随容积交变频率的增大而增大，当容积交变频率为120 Hz时，容积交变空化流场含气率可达到0.664 8。
图7 不同容积交变频率下流场含气率值域分布
湍流强度与空化强度密切相关，容积交变空泡溃灭时产生的微射流和冲击波会对流体造成扰动，使流体湍流强度增大。对容积变化量为20 mm，容积交变频率分别为90、100、110、120 Hz的容积交变空化流场进行模拟。当容积变化量最大时，小孔流道中心轴线上的湍流强度分布情况如图8所示。可知，在小孔流道内容积交变空化流场中，湍流强度整体呈中间低、两端高的分布趋势，且随着容积交变频率的增大，小孔流道内容积交变空化流场的湍流强度也增大。
图8 不同频率下流场湍流强度数值分布
2.2.2 容积变化量
容积变化量作为影响容积交变空化流场的重要工艺参数之一，同样也影响着容积交变空化对小孔内表面的抛光效果。为此，对容积交变频率为120 Hz，容积变化量分别为10、15、20、25 mm的容积交变空化流场进行模拟。小孔流道中含气率的值域分布情况如图9所示。可知，小孔流道内容积交变空化流场含气率随容积变化量的增大而增大，当容积变化量为25 mm时，容积交变空化流场含气率可达到0.706 8，最小值也在0.58以上。
图9 不同容积变化量下流场湍流强度数值分布
同理，对容积交变频率为120 Hz，容积变化量分别为10、15、20、25 mm的容积交变空化流场进行模拟。当容积变化量最大时，小孔流道中心轴线上的湍流强度分布情况如图10所示。可知，在小孔流道内容积交变空化流场中，湍流强度整体呈中间低、两端高的分布趋势，这与容积交变频率对小孔流道内湍流强度的影响类似。随着容积变化量的增大，小孔流道内容积交变空化流场的湍流强度也增大。
图10 不同容积变化量下流场湍流强度值域分布
2.3 容积交变空化流场高速摄像分析
为了验证容积交变空化流场的数值模拟结果，在容积交变空化实验平台上（见图11）对容积交变空化流场进行高速摄像分析。当容积交变频率为100 Hz、容积变化量为20 mm时，容积交变空化流场的演变过程如图12所示。
由图12可知，在0～5 ms时，活塞处于拉伸阶段；在5～10 ms时，活塞处于压缩阶段。在0 ms时刻，上个运动周期刚刚结束，活塞运动频率过快，导致部分空泡来不及溃灭。随后当活塞拉伸时，在区域1内，小孔流道中的空泡数量不断减少，但负压的牵引使流体介质流出小孔流道，小孔流道中开始出现空隙，导致含气率上升，这与数值模拟结果一致。在5～10 ms时，活塞处于压缩阶段，在区域3和区域4内，容积交变空泡逐渐占据了小孔流道内的间隙，且小孔流道中空泡数量增加的趋势与数值模拟的含气率变化趋势大致相似。
在活塞拉伸阶段，在区域2内，流体携带空泡向小孔流道两端运动，这与数值模拟的负压诱导流体向小孔流道两端运动的结果相同，流体与空泡受到的牵引力相同，流体流动时未受到明显的扰动。在活塞压缩阶段，在区域5与区域6内，流体不仅由小孔流道中心向外做发散运动，还受到空泡溃灭扰动的影响，其流动整体呈现紊乱的现象，这与模拟压缩状态下时刻湍流强度的分布相似。
对比小孔流道内容积交变空化流场的模拟结果和拍摄结果发现，含气率随着活塞的拉伸运动而不断增大。在活塞拉伸阶段，流体流动相对稳定，湍流强度较小；在活塞压缩阶段，流体流动相对紊乱，湍流强度开始增大，并在周期末达到极值。因此，在周期末，小孔流道中的湍流强度最大，空化程度也最剧烈，其对壁面的作用效果也最强。
图11 容积交变空化实验平台
图12 容积交变空泡演变规律
2.4 容积交变空化抛光小孔内表面实验研究
为了进一步验证容积交变空化抛光小孔内表面的可行性，对机械加工的Al 1060和T2 Cu小孔进行抛光，并对抛光前后小孔内表面的粗糙度进行测量。Al 1060和T2 Cu的化学成分分别如表1和表2所示。容积交变空化抛光的工艺参数如下：容积交变频率为40 Hz，活塞行程为20 mm，抛光时间为6 h。
抛光前后小孔内表面形貌如图13所示。可知，机械加工后的小孔内表面存在明显划痕，经容积交变空化抛光后，小孔内表面的划痕被有效去除，光洁度有了明显提升。抛光后，Al 1060小孔内表面的粗糙度由0.704 4 μm降低到0.324 7 μm，T2 Cu小孔内表面的粗糙度由0.721 4 μm降低到0.357 3 μm，小孔内表面粗糙度明显降低，验证了容积交变空化抛光小孔内表面的可行性。
表1 Al 1060化学成分
Tab.1 Chemical composition of Al 1060 wt.%
表2 T2 Cu化学成分
Tab.2 Chemical composition of T2 Cu wt.%
图13 抛光前后小孔内表面形貌
3 结论
通过对小孔流道内容积交变空化流场的演变规律以及容积交变频率和容积变化量等关键工艺参数对空化流场特性的影响规律进行研究，可获得以下主要结论：
1）小孔流道内容积交变空化流场存在空泡，即存在明显的空化现象，且在一个周期内，小孔流道内的空化强度由两边强、中间弱逐渐转变成两边弱、中间强。
2）空化强度与含气率和湍流强度密切相关，分析一个周期内小孔流道内容积交变空化流场的含气率和湍流强度可知，含气率随着活塞的拉伸运动而不断增大，湍流强度在周期末达到最大，故周期末空化程度最剧烈，对壁面的作用效果最强。
3）数值模拟结果表明，小孔流道内容积交变空化流场的含气率和湍流强度随容积交变频率、容积变化量的增大而增大，当容积交变频率为120 Hz、容积变化量为25 mm时，小孔流道内的含气率可达到0.706 8。
4）实验结果表明，进行容积交变空化抛光后，Al 1060小孔内表面的粗糙度由0.704 4 μm降低到0.324 7 μm，T2 Cu小孔内表面的粗糙度由0.721 4 μm降低到0.357 3 μm，小孔内表面粗糙度明显降低，说明容积交变空化抛光小孔内表面具有可行性。
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Analysis of Cavitation Flow Field Characteristics of Small Hole Runner Based on Volume Alternating Cavitation
ZHANG Bo, LI Fu-zhu*, WANG Yun, SHEN Kun-lun, HU Long-fei, XU Jiang-qi, ZHANG Heng-jie
(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212000, China)
The work aims to analyze cavitation flow field characteristics of the small hole runner based on the principle of volume alternating cavitation and the effect of key process parameters such as volume alternating frequency and volume changes on flow field characteristics, to guide the finishing of inner surface of the small holes based on volume alternating cavitation. A three-dimensional transient simulation model of the volume alternating cavitation flow field in the small hole runner was established. The standard k-epsilon model and the Zwart-Gerber-Belamri model were used to simulate the changes of vapor volume fraction and turbulence intensity under different volume alternating frequencies and volume changes. The results were compared with those of the high-speed camera. In addition, two different materials Al 1060 and T2 Cu were chosen as the target material to verify the feasibility of volume alternating cavitation finishing effects. In a cycle when the volume change was 20 mm and the volume alternating frequency was 90, 100, 110, and 120 Hz respectively, the vapor volume fraction and turbulence intensity in the small hole runner increased with the increase of the volume alternating frequency, and the vapor volume fraction was up to 0.664 8. When the volume alternating frequency was 120 Hz and the volume change was 10, 15, 20, and 25 mm respectively, the vapor volume fraction and turbulence intensity also increased with the increase of the volume change, and the vapor volume fraction was reach up to 0.706 8. As the pistons were stretched and compressed, the turbulence intensity gradually changed from strong on both sides and weak in the middle to weak on both sides and strong in the middle, and reached the maximum at the end of the cycle. Furthermore, the experimental results showed that after volume alternating cavitation finishing, the roughness value of the inner surface of the Al 1060 hole was reduced from 0.704 4 μm to 0.324 7 μm, and the roughness value of the inner surface of the T2 Cu hole was reduced from 0.721 4 μm to 0.357 3 μm, showing an obvious decrease in inner surface roughness. Therefore, it is feasible to finish the inner surface of the small hole by volume alternating cavitation. The vapor volume fraction and turbulence intensity of the cavitation field in the small hole runner can be improved by increasing the volume alternating frequency and volume change, and then the finishing efficiency of the inner surface of the small hole can also be improved.
small hole runner; volume alternating cavitation flow field; vapor volume fraction; turbulence intensity; cavitation intensity; volume alternating frequency; volume change
10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.024
TG356.28
A
1674-6457(2023)10-0204-08
2023-07-27
2023-07-27
装备预先研究领域基金（8092301201）
Equipment Advance Research Area Fund Project (8092301201)
张博, 李富柱, 王匀, 等. 小孔流道内容积交变空化流场特性分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 204-211.
ZHANG Bo, LI Fu-zhu, WANG Yun, et al. Analysis of Cavitation Flow Field Characteristics of Small Hole Runner Based on Volume Alternating Cavitation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 204-211.
责任编辑：蒋红晨
