磨削接觸區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 機械工程學院,遼寧 大連 116028;2.樂天創研(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致熱量聚集在磨削區難以散出,造成材料熱損傷,降低工件的表面質量[2]。因此,研究相應的冷卻技術顯得尤為重要。

噴霧冷卻技術利用高壓氣體或依賴液體本身的壓力經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]。經噴嘴霧化過的液滴群直接作用更易于發生相變換熱,提高換熱系數。區別于液體直接冷卻,噴霧可以減小因熱沉引起的傳熱熱阻,因此該方法被認為是一種極具發展潛力的高效高熱流密度冷卻方式。

Tawakoli等[4]研究了霧化參數對磨削性能的影響,研究得出霧滴質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與傳熱試驗研究,結果表明同種流體介質下采取添加劑可以使銅工件表面過熱性降低。Bouri等[6]建立了流體動力學模型,比較了不同流速和入口壓力對刀具熱效應的影響,研究表明介質流速受壓力影響,壓力越大刀具冷卻效果越好。毛聰等[7]建立溫度場數學模型,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換熱特性的關聯。劉波等[8]通過計算流體動力學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]研究不同噴嘴數量工況下霧化特性和壁面換熱效果,發現隨著噴嘴數量的增加,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雜,磨削時導熱性差,導致陶瓷磨削表面產生微裂紋。本文采用CFD法分析噴嘴結構參數對霧化流場的影響,利用獲得的最佳幾何噴嘴建立磨削流場仿真分析模型,探究霧化參數對陶瓷材料表面降溫的影響。

1 基礎工況理論分析

1.1 質量流量計算分析

質量流量是指單位時間內流體通過噴嘴內封閉管道或開槽壁面的有效截面的流體質量[10]。質量流量和體積流量(單位時間內流體通過的體積)的對應關系是質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為噴嘴管道內徑。

Ms=ρVs

(2)

式中:Ms為質量流量;ρ為流體密度。

(3)

式中:Mt為單位時間內流體質量流量的累積值。

經以上公式換算可知質量流量的數值受噴嘴管道內徑和流體密度這兩個參數的約束。因為不同介質所對應的密度不同,質量流量的數值會當成變量來進行多組計算。

1.2 霧化參數計算分析

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。

在計算時考慮到液滴體積占比小和噴射無法預測的問題,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、冷卻介質流量G、液滴粒徑d32、液滴速度v、液滴密度n、液滴數量通量N等。各參數之間關系為[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等參數對壁面換熱的影響。

2 數值模型設計與計算

2.1 噴嘴結構選擇與模型建立

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部結構、噴嘴孔徑和噴霧壓力等。本節研究噴嘴孔徑和噴嘴長度兩個結構參數對噴射效果的影響。模型中濾芯和噴嘴結構體分別承擔液體及氣體輸送。其原理為壓縮空氣經氣體流道進入噴嘴腔內與液體混合,通過動能交換使液體破碎成液滴從噴嘴噴出,噴嘴整體模型和內部結構見圖1。

圖1 噴嘴整體模型和內部結構

圖2為噴嘴全局計算域網格模型。本文對流體域中間部分網格進行了細化,網格數量約為136 萬。數值模型的創建包含噴嘴內部流場和外部霧化流場。將噴嘴結構模型導入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。噴嘴壁面設置為無滑移壁面邊界。

圖2 噴嘴全局計算域網格模型

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,質量擴散率依據氣體動力學理論[13]。流體域介質為空氣與水混合,環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的速度才能穿透氣流場進入磨削區。因此,考慮砂輪高速旋轉引起的氣流場影響,噴嘴結構參數的選用至關重要。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?？梢钥闯?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。根據上述分析,確定設定參數范圍內最優的噴嘴出口直徑為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計與建模

利用上述仿真獲得最佳噴嘴幾何參數,建立陶瓷磨削噴霧冷卻流場分析模型。模型參數如下: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,導熱系數為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],將溫度初始值設為500 K。

本文對仿真模型作以下假設:①假設工件材料材質均勻,換熱系數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仿真。

3 結果與分析

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速度場的情況。從圖6可以看到,在右側出口處,由砂輪旋轉產生的氣流會形成一定的加速作用,帶動出口氣流形成負壓力來抽吸噴射的流體,從而沖擊砂輪與工件表面區域。磨削區局部速度場和速度矢量場見圖7。從圖7可以看出,砂輪的高速旋轉會在磨削區引起返回渦流,渦流會與噴霧氣流發生耦合,間接使射流呈現抬高趨勢,阻礙噴霧進入磨削區,導致區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 磨削區局部速度場及速度矢量場

根據流體動力學理論,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產生的氣流層,當液滴以極高的速度超過砂輪旋轉的速度時,噴霧會穿透氣流層抵達磨削區。

3.2 入射壓力對工件表面換熱系數的影響

不同入射壓力對壁面換熱系數影響曲線見圖8。從圖8可以看出,在磨削接觸區中心左側35 mm以外,因砂輪轉速作用導致近壁氣流抬升,對流換熱能力減弱,降溫趨勢緩慢。當射流沖破返回流進入磨削區后,也就是磨削接觸區中心左側20～35 mm,由壓力帶動的氣流效應使液滴沖擊工件表面,能看出表面換熱系數與射流壓力存在正比關系。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,液滴在磨削區內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,磨削接觸區中心至左側區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。受旋轉氣流影響,接觸區中心間隙處會存在負壓力,而右側區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,導致換熱效果的降低。

圖9 不同噴嘴霧化角對壁面溫度影響曲線

3.4 質量流量對工件表面溫度的影響

當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,約為30 m/s。為驗證不同質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兩組數據進行交叉仿真計算。

圖10為不同液滴入射速度、質量流量下工件表面降溫情況。從圖10可以看出,影響最大的區域在最小間隙左側約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, 而質量流量的增加也提高了進入磨削區的液滴量[8], 進而能夠沖擊砂輪表面的氣流層。當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,可以達到很好的冷卻效果[18]。

圖10 不同質量流量對壁面溫度影響曲線

參考多噴嘴噴霧冷卻試驗, 流體質量流量的增加會使得表面換熱系數增加,溫度也會隨之降低。文獻[19]指出,液體質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定性。對比試驗結果說明流體質量流量影響工件表面降溫效果,這與上述仿真分析結果一致。

4 結論

采用流體動力學法分析了壓力型噴嘴結構參數對霧化流場的影響,得出了仿真設定范圍內的最佳噴嘴口徑和噴嘴長度。利用獲得的最佳噴嘴結構參數,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、質量流量對工件表面溫度場的影響。仿真結果表明: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的有效液滴量,強化換熱效果。質量流量的增大增加了進入磨削區的液滴量,提升了工件表面冷卻效果。