利用 Fluent 研究噴射泵式DF系統(tǒng)
2018-5-16 來源：長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：平艷玲
摘要：采用通用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 對改進(jìn)后的 DF 系統(tǒng)（噴射泵式 DF 系統(tǒng)）負(fù)壓裝置進(jìn)行力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明：噴射泵式 DF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的排屑能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的圓錐形噴嘴的 DF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可讓研究者形象直觀認(rèn)識兩種負(fù)壓裝置內(nèi)流體運(yùn)動的力學(xué)特性。
關(guān)鍵詞：深孔加工 DF 系統(tǒng) 負(fù)壓裝置 仿真
0、引言
DF 深孔加工系統(tǒng)由單管噴吸鉆和雙泵加油深孔兩種結(jié)構(gòu)組合而成。DF 系統(tǒng)屬于深孔鉆削加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過噴射鉆和 BTA 內(nèi)排屑鉆的結(jié)合而運(yùn)轉(zhuǎn)，在需要加工的零件斷面處，設(shè)置一個油密封裝置，通過推壓手段控制其提供冷卻液的操作，并在該裝置的后部，放置一個裝置使其能產(chǎn)生吸引力，使冷卻液在這兩種力的雙重作用下加速流動，流量加大，增強(qiáng)排屑力。針對小直徑深孔鉆削加工類操作時(shí)，特別是加工性差和難斷屑類材料的加工過程中，該結(jié)構(gòu)會十分適用且好用，同時(shí)能很方便地切屑處理。但該結(jié)構(gòu)還存在眾多設(shè)計(jì)上的弊端，如設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用先前的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，未充分解釋噴吸效應(yīng)，設(shè)計(jì)工作缺乏理論指導(dǎo)，掩蓋傳統(tǒng)DF 設(shè)計(jì)優(yōu)勢。在本文中，重點(diǎn)探討噴射泵式 DF 系統(tǒng)中負(fù)壓裝置內(nèi)的力學(xué)行為，數(shù)學(xué)模型的建造等問題，并運(yùn)用 Fluent 軟件模擬分析兩種負(fù)壓裝置中的切削液，使研究者進(jìn)一步了解噴射泵式 DF 系統(tǒng)負(fù)壓裝置的排屑能力。
1、噴射泵式負(fù)壓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
噴射泵式負(fù)壓裝置的基本結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示。結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng) DF 系統(tǒng)負(fù)壓裝置采用同一實(shí)驗(yàn)條件，即雙進(jìn)油孔的負(fù)壓抽屑裝置，能夠在射流前將其通道中切削液進(jìn)行均壓操作，以此實(shí)現(xiàn)均勻的圓錐形射流，保障負(fù)壓效應(yīng)提升；并在實(shí)現(xiàn)均壓效果前提下，縮小均壓腔空間，盡可能減少擴(kuò)壓能量的損耗，使負(fù)壓裝置體積縮小。為達(dá)到該效果，在負(fù)壓裝置確定前提下對模型施加外界條件，分析模型裝置內(nèi)液體特征，使兩種結(jié)構(gòu)中負(fù)壓裝置內(nèi)的壓力場、速度場、溫度場和能量場中狀況更完整地呈現(xiàn).
圖 1 噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置的三維半剖圖
2、幾何模型與數(shù)值計(jì)算方法
在計(jì)算過程中，運(yùn)用有限元法離散控制方程以及邊界條件，運(yùn)用 SIMPLE 算法得出壓力 - 速度耦合，通過一階迎風(fēng)差分格式表示動量、湍流動能和溫度場離散格式。
3、計(jì)算結(jié)果與分析
傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置與噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在噴嘴處產(chǎn)生的最大壓力值分別是 1.4MPa 和 1.6MPa，即面對相同壓力出口，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置比傳統(tǒng)的負(fù)壓抽屑裝置的壓力增加。可以證明噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置內(nèi)，其前后壓差越大時(shí)排屑能力也越強(qiáng)。
處于排屑通道出口即混合室出口時(shí)，傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置和噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置出口速度的最大值分別是 15m/s和 16m/s，可證明噴射泵式的負(fù)壓抽屑裝置能夠更加充分的運(yùn)用能量，從而提升排屑能力。
傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置以及噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在噴嘴出口處動能分別是 550J 和 630J，即噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置動能更大，從而使動能轉(zhuǎn)換率更高，能夠使排屑通道中的混合液體加速運(yùn)動，增強(qiáng)排屑能力。
傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是 700J，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是 800J，可見噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置的排屑通道具有更強(qiáng)的混合力，從而帶動排屑能力的提升。
傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置以及噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置在出口處的混合液溫度分別處在 323.5 ～ 325.5K 與 323 ～ 324.5K，可見相同溫度下，噴射泵式負(fù)壓抽屑裝置排出的混合液溫度更低，證明了該裝置具有良好的散熱性能。
4、結(jié)語
本文主要建造兩種負(fù)壓抽屑裝置和腔體內(nèi)流體物理模型，使用 Fluent 軟件分析腔體內(nèi)流體運(yùn)動特征，并對比噴射泵式的負(fù)壓裝置實(shí)驗(yàn)仿真與傳統(tǒng)負(fù)壓抽屑裝置在壓力場、速度場、溫度場和能量場等，分析各自特性與不足。研究結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)圓錐形噴嘴負(fù)壓裝置，配備擴(kuò)散室與自由曲面的內(nèi)外噴嘴結(jié)構(gòu)噴射泵式負(fù)壓裝置具有更強(qiáng)的排屑能力。此外，驗(yàn)證 DF 系統(tǒng)中負(fù)壓裝置的巨大作用，同時(shí)為研究者進(jìn)一步了解噴射泵式 DF 系統(tǒng)的負(fù)壓裝置的內(nèi)流體運(yùn)動特征提供相應(yīng)的依據(jù)。
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