一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及磨粒流加工技术领域，具体设及一种伺服阀阀忍喷嘴的数值模拟分析 方法。
【背景技术】
[0002] 研究学者在近几十年来对磨粒流加工技术内复杂两相流系统进行了许多理论和 实验研究，学者们构建了大量的数学模型对其进行数值求解。研究学者运用计算机软件，采 用不同的数学模型对磨粒流加工过程中整个流体系的运动特性进行研究分析，为磨粒流抛 光加工提供了一定理论基础。本发明是基于固液两相流动力学理论、混合模型、离散相模型 W及冲蚀磨损模型理论为基础，对磨粒流加工过程进数值仿真模拟，探讨磨粒流加工过程 中固液两相流的运动特性。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种伺服阀阀忍喷嘴的数值模拟分析方法，W便更好地针 对伺服阀阀忍喷嘴进行数值模拟。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0005] -种伺服阀阀忍喷嘴的数值模拟分析方法，具体步骤如下：
[0006] (1)建立几何模型：W伺服阀的喷嘴体为研究对象，选取喷嘴体不同的外圆、内孔 尺寸，采用不同模型对喷嘴体通道内固液两相流流动及冲蚀磨损特性进行数值仿真，利用 woricbench软件构建的喷嘴体流体区域几何模型；
[0007] (2)模型的网格划分:首先对喷嘴体通道模型进行分块处理，然后采用四面体网格 对分块处理后的模型进行详细的网格重划分；
[000引（3)物理参数设置:对喷嘴体的磨粒流加工技术，所采用的磨料加工介质是由航空 液压油与碳化娃颗粒按照一定的比例配置的，计算求解过程中将航空液压油看作连续相流 体，将松散的碳化娃颗粒看作离散固相；
[0009] (4)边界条件的设置:在Fluent软件中需要对计算模拟的问题进行进出口条件、采 用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件等一系列的设置，喷嘴体磨粒流加工模拟参数设 置如下：
[0010] (a)采用模型:假定磨粒流加工的介质流动为端流状态，采用k-e端流模型、混合模 型W及离散相模型，当考虑到连续相与离散相之间的动能量转换，对流场内参数考察时，需 要添加其他相对应的参数模块；
[0011] (b)进口边界设置：
[0012] 连续相:连续相选取的是航空液压油，进口条件采用速度进口条件，进口流动速度 垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度；
[0013] 离散相:离散相是一定体积分数的碳化娃颗粒，进口条件同样采用速度进口条件， 设定与连续相相同的初始速度;离散相模型内选取不同的碳化娃颗粒直径，入口条件选取 面射流源，而且在流场内设定了连续相与离散颗粒相之间的双向禪合作用，但颗粒与壁面 的碰撞过程中认为颗粒是不发生旋转运动的，同时忽略了颗粒间的碰撞作用力；
[0014] (C)出口边界设置：
[0015] 依据磨粒流加工的实际操作环境情况，磨粒流加工出口与外界相连接，所W设置 出口边界条件为自由出口；
[0016] (d)壁面边界设置：
[0017] 连续相:壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移条件；
[0018] 离散相：因固相壁面不满足无滑移条件，离散颗粒是W-定的角度对加工壁面冲 击碰撞，所W颗粒与壁面碰撞时设定为弹性碰撞，且颗粒碰撞加工壁面后能量会发生一定 的变化，其变化规律由反弹系数决定；
[0019] (e)计算方法：
[0020] 求解方法采用3D压力-速度禪合求解方式，选取经典SIMPLE算法和一阶迎风格式， 在欧拉坐标系下计算连续相N-S方程，在拉格朗日坐标系下离散相求解器为了获得不断更 新的颗粒状态，需要在每一个连续相的时间内对每个颗粒进行一步步的轨迹计算，在颗粒 的当前状态下，离散模型求解器在单位颗粒时间步长内对颗粒的运动轨迹、质量、动量W及 能量的传递等进行求解计算。
[0021] (5)数值模拟结果与分析:采用混合模型和离散相模型对伺服阀喷嘴体磨粒流加 工技术进行数值仿真模拟，探索了喷嘴体磨粒流微磨削加工机理W及加工参数因子对喷嘴 体磨粒流加工技术的影响。
[0022] 在计算求解过程中采用混合模型，根据伺服阀喷嘴体的模型尺寸参数、磨粒流加 工工况进行仿真设置，经过求解计算得到喷嘴体磨粒流加工系统的收敛残差曲线。随着迭 代次数的增加，模型计算求解的各项参数大约迭代130次左右达到收敛，运说明了磨粒流加 工在经过一段时间后达到稳定的端流状态，且喷嘴体磨粒流加工求解参数和模型设计的设 置是合理的，可W很快地达到收敛状态。为了进一步研究分析喷嘴体磨粒流加工流场内的 运动特性，采用不同的加工工况，主要针对磨粒流加工通道内的速度和压力分布进行分析 研究。
[0023] 影响冲击磨损的因素很多，常受到外界环境的干扰影响，影响因素包括环境因素 (速度、角度、时间、颗粒浓度、溫度W及流体性质）、磨粒性质(粒度、硬度、形状等)和被加工 工件的材料性质(粗糖度、强度、硬度等）。本发明主要从颗粒速度、溫度、磨粒的粒径大小等 方面入手，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响。
[0024] (1)入口速度对冲蚀磨损的影响：
[0025] 本发明采取不同的速度对喷嘴磨粒流加工过程颗粒的冲蚀磨损进行数值模拟分 析，获得了不同速度条件下的颗粒冲蚀磨损云图。不同的初始速度会导致不同的冲蚀磨损 速率，为了更加清晰观察不同流速和冲蚀磨损率之间的关系。在伺服阀喷嘴磨粒流加工过 程中，随着入口速度的增加，冲蚀磨损速率也呈现增加的状态。运种现象与颗粒受到多种作 用力相关，当入口速度增大时，颗粒随着流体相的速度同时增大，流速的增加使单位时间 内，加工表面的冲击颗粒数目增加，在流体相的携带作用下颗粒与加工壁面的接触碰撞率 随之增大，从而导致了颗粒对加工壁面的碰撞、冲蚀磨损量增加;而且颗粒的动能随入口速 度的增加而增加，运就导致了颗粒对加工壁面的碰撞冲击能量增大，进而对加工壁面的冲 蚀磨损量增加，加工作用更明显。
[0026] (2)颗粒直径对冲蚀磨损的影响：
[0027] 在磨粒流加工过程中，考虑到固相颗粒作为离散相，颗粒的跟随性和颗粒的无序 运动会导致颗粒对加工壁面的频繁碰撞冲击，颗粒的直径大小很有可能会影响冲蚀磨损 量，于是选取不同直径的颗粒对喷嘴磨粒流加工的冲蚀磨损进行数值模拟。不同粒径条件 下的喷嘴磨粒流加工过程中，颗粒直径的增加，颗粒对壁面的磨损速率增加，即颗粒的微磨 削作用增强，颗粒对壁面的微磨削量增加。
[0028] 通过研究分析，颗粒的冲蚀磨损速率随着颗粒直径的增加而增加，是因为在颗粒 直径较小的情况下，颗粒的质量相对较小，其对加工壁面的冲击力小，且没有颗粒的破碎， 不存在颗粒的二次磨削，所W颗粒产生的磨损小；随着颗粒直径的增大，颗粒的冲击力变 大，且存在颗粒的二次冲蚀磨损，所W颗粒对加工壁面的冲蚀磨损量也相应地增加。
[0029] (3)溫度对冲蚀磨损的影响：
[0030] 磨粒流加工当颗粒与壁面存在相对运动时，会发生摩擦和磨损作用效果，不论是 加工速度还是粒径大小对磨损的影响，实质上均和溫度相关。加工通道内溫度的升高是由 于加工表面受到作用力而产生的摩擦热，溫度的升高会影响到流体和颗粒的性质，进而影 响加工效果。所W本发明选取不同的加工溫度，进行喷嘴磨粒流加