本发明涉及一种基于多物理耦合场的离散元固液两相磨粒流加工的数值模拟方法，属于固液两相磨粒流精密加工技术领域。
背景技术
对于固液两相磨粒流加工技术，国内学者当前研究工作主要是针对某些特定条件下的理论研究，对于多物理耦合场的离散元固液两相磨粒流加工过程中的重要参数进行研究较少，其成果对磨粒流加工的普遍指导意义是有限的，为研究变口径管磨粒流加工工艺，本发明以四阶变口径管和五阶变口径管工件为对象，对固液两相磨粒流加工在cfd-dem耦合条件下进行数值模拟分析，可为实际生产提供重要的技术指导。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于多物理耦合场的离散元固液两相磨粒流加工的数值模拟方法，以便为实际生产提供重要的技术指导。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于多物理耦合场的离散元磨粒流加工的数值模拟方法，其具体方法如下：
(1)建立变口径管物理模型：以变口径管为研究对象，选取四阶变口径管和五阶变口径管，其中四阶变口径管为阶梯型，四阶变口径管各阶内径尺寸依次为φ1.2mm、φ1.0mm、φ0.8mm、φ0.6mm，五阶变口径管为对称型，五阶变口径管各阶内径尺寸依次为φ1.0mm、φ0.8mm、φ0.6mm、φ0.8mm、φ1.0mm，利用solidworks软件对四阶变口径管和五阶变口径管流道进行几何模型建立，采用不同模型对变口径管通道内固液两相流流动特性进行离散元计算；
(2)物理模型的网格划分：利用icem软件分别对四阶变口径管和五阶变口径管流道模型进行网格划分，选取六面体网格分别对四阶变口径管和五阶变口径管进行网格划分，根据模型的几何体形状，对流道模型进行分块处理，网格划分后四阶变口径管形成441106个节点，五阶变口径管形成490113个节点，网格划分完成后对非结构网格质量进行检测，不能存在负体积，网格质量大于0.3；
(3)物理模型参数的设置：多物理耦合场cfd-dem耦合数值分析时，需要在cfd软件和dem软件中分别设置参数，故在cfd软件中设定连续相，在dem软件中设定离散相，所采用的磨料加工介质是由航空煤油、活性剂与碳化硼磨粒配置的，连续相采用航空煤油和活性剂，离散相采用碳化硼磨粒；
(4)边界条件的设置：在cfd软件中需要对数值模拟计算进行进出口条件、采用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件的设置，在dem软件中需要对离散相磨粒参数、磨粒形状、磨粒粒径、工件材料进行设置，四阶变口径管和五阶变口径管固液两相磨粒流加工数值模拟参数设置如下：
(a)采用模型：根据雷诺数方程
(b)入口边界设置：
cfd软件中设置连续相：连续相选取的是航空煤油和油性剂，进口条件采用速度入口条件，水力半径按实际设置为3mm，入口速度垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度，重力方向与入口速度相同；
dem软件中设置离散相：离散相是碳化硼磨粒，进口条件同样采用速度入口条件，设定与连续相相同的初始速度，为了简化磨粒模型，把磨粒简化为球形，模拟计算选取不同的磨粒粒径，磨粒重力方向与磨粒速度方向一致；
(c)出口边界设置：在固液两相中出口边界条件主要有压力出口(pressureoutlet)和质量出口(outlet)，液体相为不可压缩的流体，由磨粒流抛光四阶变口径管和五阶变口径管实际条件可知，磨粒流出工件的速度和压力很难测量，出口端与外界相通，故连续相出口边界条件设置为自由出口；
(d)壁面边界设置：壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移壁面条件；
(e)dem软件工件材料设置：根据实际磨粒流加工实际，设置四阶变口径管和五阶变口径管为不锈钢304材料；
(f)dem软件磨粒工厂设置：根据拉格朗日方法，离散相磨料浓度不大于10％，在fartorytype中选择dynamic(动态模型)，在velocity中选择linear(线速度)，磨粒速度方向与连续相航空煤油和活性剂方向相同，根据四阶变口径管和五阶变口径管工件结构特征和磨粒的尺寸大小，在dem软件中设置时间步长为2e-7s，开启trackcollisions(磨粒跟踪碰撞)，数值模拟总时间为1s；
(g)cfd-dem耦合设置：在cfd-dem耦合过程中，dem软件中的时间步长和cfd软件中的时间步长比例应该在1:1至100:1之间，dem软件中的时间步长不能大于cfd软件中的时间步长；选择欧拉-拉格朗日方法进行耦合，设置samplepoints为10，一个磨粒可以在10个网格中运动，增大samplepoints的大小，可以增大模拟的稳定性；设置momentumunder-relaxation为0.7，减小松弛因子更容易收敛，并且增加了模拟的稳定性，但是计算速度变慢，因此在模拟稳定性的情况下，选取适当的松弛因子；
(5)磨粒流加工参数选取：进行四阶变口径管五阶变口径管和数值模拟时，选取的磨粒流加工因素有：入口速度、磨料浓度、磨粒粒径；所选取的四组参数数据为入口速度为30m/s、35m/s、40m/s、45m/s，磨料浓度为4％、6％、8％、10％，磨粒粒径选取了300目、400目、500目、800目。
(6)数值模拟结果与分析：采用离散元方法对变口径管磨粒流加工技术进行数值仿真模拟，探索了变口径管磨粒流材料去除机理以及加工参数对变口径管磨粒流加工技术的影响；
(7)cfd-dem耦合结果进行后处理；(a)应用ensight软件对连续相和离散相进行显示；(b)离散相磨粒在不同时间分布显示；(c)数值模拟分析四阶变口径管和五阶变口径管时，在不同入口速度条件下显示连续相动态压强与湍流动能、离散相磨粒总能量与动能；在不同磨料浓度条件下显示连续相速度与湍流强度、离散相磨粒速度与动能；在不同磨粒粒径条件下显示连续相湍流耗散率与湍流粘度、离散相磨粒动能与速度，在不同入射角度条件下显示连续相速度与动态压强、磨粒速度与总能量。
在计算求解过程中的cfd-dem耦合方法，根据变口径管的物理模型尺寸参数、磨粒流加工工况进行数值模拟设置，经过求解计算得到变口径管cfd-dem耦合的收敛残差曲线；随着迭代次数的增加，模型计算求解的各项参数迭代1500次残差曲线达到平稳，说明固液两相磨粒流加工在cfd-dem耦合条件下，经过一段时间后达到稳定的湍流状态，且变口径管固液两相磨粒流加工cfd-dem耦合求解参数和模型设计的设置是合理的；为了获得变口径管固液两相磨粒流加工在cfd-dem耦合下流场内的运动特性，进行四阶变口径管和五阶变口径管数值模拟时，对不同入口速度在cfd-dem耦合场下的流体动态压强与湍流动能、磨粒总能量与动能，不同磨料浓度在cfd-dem耦合场下的流体速度与湍流强度、磨粒速度与动能，不同磨粒粒径在cfd-dem耦合场下的流体湍流耗散率与湍流粘度、磨粒动能与速度，不同入射角度在cfd-dem耦合场下的流体速度和动态压强、磨粒速度和总能量，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响；
(1)入口速度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同入口速度条件下的流体动态压强、湍流动能和磨粒总能量、动能的分布特性可知，增大磨粒流抛光工件的入口速度，动态压强和湍流动能随之增大，从而可有效的提高对四阶变口径管内表面的抛光质量。同时，磨粒总能量和动能也增大，总能量和动能越大，对工件壁面碰撞越激烈，工件表面材料去除量越大，有利于磨粒流对壁面的光整加工；
(2)磨料浓度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同磨料浓度条件下的流体速度、湍流强度和磨粒速度、动能的分布特性可知，增大磨料浓度，磨粒对壁面的碰撞次数增多，从而有利于对壁面的光整加工作用，但本文研究的四阶变口径管和五阶变口径管工件为小孔径管，浓度过大，可能会堵塞孔径，不利于磨粒流动性。根据拉格朗日计算方法，磨料浓度应小于10％，在此范围内，浓度越大，有利于增大近壁面的磨粒数量，提高材料去除量，有利于磨粒流对壁面的精密加工作用；
(3)磨粒粒径对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同磨粒粒径度条件下的流体湍流耗散率、湍流粘度和磨粒动能、速度的分布特性可知，工件表面材料去除率和表面质量提高需依靠不同粒径的磨粒；磨粒粒径越小，液体流动跟随性较好，利用液体湍流运动的随机性，对工件进行随机切削，抛光随机性有利于磨粒流精密加工的均匀性；磨粒粒径越大，磨粒越能和壁面长时间的刮擦，碰撞的次数也多于粒径小的磨粒，可提高材料去除率；
(4)入射角度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同入射角度条件下的流体速度、动态压强和磨粒速度、总能量的分布特性可知，改变入射角度使四阶变口径管和五阶变口径管工件内流场分布发生改变。
附图说明
图1四阶变口径管二维模型；
图2五阶变口径管二维模型图；
图3四阶变口径管二维模型流道部分划分区域示意图；
图4五阶变口径管二维模型流道部分划分区域示意图。
具体实施方式
(1)建立变口径管物理模型：以变口径管为研究对象，选取四阶变口径管和五阶变口径管，其中四阶变口径管为阶梯型，四阶变口径管各阶内径尺寸依次为φ1.2mm、φ1.0mm、φ0.8mm、φ0.6mm，五阶变口径管为对称型，五阶变口径管各阶内径尺寸依次为φ1.0mm、φ0.8mm、φ0.6mm、φ0.8mm、φ1.0mm，利用solidworks软件对四阶变口径管和五阶变口径管流道进行几何模型建立，采用不同模型对变口径管通道内固液两相流流动特性进行离散元计算；
(2)物理模型的网格划分：利用icem软件分别对四阶变口径管和五阶变口径管流道模型进行网格划分，选取六面体网格分别对四阶变口径管和五阶变口径管进行网格划分，根据模型的几何体形状，对流道模型进行分块处理，网格划分后四阶变口径管形成441106个节点，五阶变口径管形成490113个节点，网格划分完成后对非结构网格质量进行检测，不能存在负体积，网格质量大于0.3；
(3)物理模型参数的设置：多物理耦合场cfd-dem耦合数值分析时，需要在cfd软件和dem软件中分别设置参数，故在cfd软件中设定连续相，在dem软件中设定离散相，所采用的磨料加工介质是由航空煤油、活性剂与碳化硼磨粒配置的，连续相采用航空煤油和活性剂，离散相采用碳化硼磨粒；
(4)边界条件的设置：在cfd软件中需要对数值模拟计算进行进出口条件、采用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件的设置，在dem软件中需要对离散相磨粒参数、磨粒形状、磨粒粒径、工件材料进行设置，四阶变口径管和五阶变口径管固液两相磨粒流加工数值模拟参数设置如下：
(a)采用模型：根据雷诺数方程
(b)入口边界设置：cfd软件中设置连续相：连续相选取的是航空煤油和油性剂，进口条件采用速度入口条件，水力半径按实际设置为3mm，入口速度垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度，重力方向与入口速度相同；
dem软件中设置离散相：离散相是碳化硼磨粒，进口条件同样采用速度入口条件，设定与连续相相同的初始速度，为了简化磨粒模型，把磨粒简化为球形，模拟计算选取不同的磨粒粒径，磨粒重力方向与磨粒速度方向一致；
(c)出口边界设置：在固液两相中出口边界条件主要有压力出口(pressureoutlet)和质量出口(outlet)，液体相为不可压缩的流体，由磨粒流抛光四阶变口径管和五阶变口径管实际条件可知，磨粒流出工件的速度和压力很难测量，出口端与外界相通，故连续相出口边界条件设置为自由出口；
(d)壁面边界设置：壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移壁面条件；
(e)dem软件工件材料设置：根据实际磨粒流加工实际，设置四阶变口径管和五阶变口径管为不锈钢304材料；
(f)dem软件磨粒工厂设置：根据拉格朗日方法，离散相磨料浓度不大于10％，在fartorytype中选择dynamic(动态模型)，在velocity中选择linear(线速度)，磨粒速度方向与连续相航空煤油和活性剂方向相同，根据四阶变口径管和五阶变口径管工件结构特征和磨粒的尺寸大小，在dem软件中设置时间步长为2e-7s，开启trackcollisions(磨粒跟踪碰撞)，数值模拟总时间为1s；
(g)cfd-dem耦合设置：在cfd-dem耦合过程中，dem软件中的时间步长和cfd软件中的时间步长比例应该在1:1至100:1之间，dem软件中的时间步长不能大于cfd软件中的时间步长；选择欧拉-拉格朗日方法进行耦合，设置samplepoints为10，一个磨粒可以在10个网格中运动，增大samplepoints的大小，可以增大模拟的稳定性；设置momentumunder-relaxation为0.7，减小松弛因子更容易收敛，并且增加了模拟的稳定性，但是计算速度变慢，因此在模拟稳定性的情况下，选取适当的松弛因子；
(5)磨粒流加工参数选取：进行四阶变口径管五阶变口径管和数值模拟时，选取的磨粒流加工因素有：入口速度、磨料浓度、磨粒粒径；所选取的四组参数数据为入口速度为30m/s、35m/s、40m/s、45m/s，磨料浓度为4％、6％、8％、10％，磨粒粒径选取了300目、400目、500目、800目；
(6)cfd-dem耦合结果进行后处理；(a)应用ensight软件对连续相和离散相进行显示；(b)离散相磨粒在不同时间分布显示；(c)数值模拟分析四阶变口径管和五阶变口径管时，在不同入口速度条件下显示连续相动态压强与湍流动能、离散相磨粒总能量与动能；在不同磨料浓度条件下显示连续相速度与湍流强度、离散相磨粒速度与动能；在不同磨粒粒径条件下显示连续相湍流耗散率与湍流粘度、离散相磨粒动能与速度，在不同入射角度条件下显示连续相速度与动态压强、磨粒速度与总能量。
在计算求解过程中的cfd-dem耦合方法，根据变口径管的物理模型尺寸参数、磨粒流加工工况进行数值模拟设置，经过求解计算得到变口径管cfd-dem耦合的收敛残差曲线；随着迭代次数的增加，模型计算求解的各项参数迭代1500次残差曲线达到平稳，说明固液两相磨粒流加工在cfd-dem耦合条件下，经过一段时间后达到稳定的湍流状态，且变口径管固液两相磨粒流加工cfd-dem耦合求解参数和模型设计的设置是合理的；为了获得变口径管固液两相磨粒流加工在cfd-dem耦合下流场内的运动特性，进行四阶变口径管和五阶变口径管数值模拟时，对不同入口速度在cfd-dem耦合场下的流体动态压强与湍流动能、磨粒总能量与动能，不同磨料浓度在cfd-dem耦合场下的流体速度与湍流强度、磨粒速度与动能，不同磨粒粒径在cfd-dem耦合场下的流体湍流耗散率与湍流粘度、磨粒动能与速度，不同入射角度在cfd-dem耦合场下的流体速度和动态压强、磨粒速度和总能量，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响；
(1)入口速度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同入口速度条件下的流体动态压强、湍流动能和磨粒总能量、动能的分布特性可知，增大磨粒流抛光工件的入口速度，动态压强和湍流动能随之增大，从而可有效的提高对四阶变口径管内表面的抛光质量。同时，磨粒总能量和动能也增大，总能量和动能越大，对工件壁面碰撞越激烈，工件表面材料去除量越大，有利于磨粒流对壁面的光整加工；
(2)磨料浓度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同磨料浓度条件下的流体速度、湍流强度和磨粒速度、动能的分布特性可知，增大磨料浓度，磨粒对壁面的碰撞次数增多，从而有利于对壁面的光整加工作用，但本文研究的四阶变口径管和五阶变口径管工件为小孔径管，浓度过大，可能会堵塞孔径，不利于磨粒流动性。根据拉格朗日计算方法，磨料浓度应小于10％，在此范围内，浓度越大，有利于增大近壁面的磨粒数量，提高材料去除量，有利于磨粒流对壁面的精密加工作用；
(2)磨料浓度对四阶变口径管材料去除的影响：通过分析四阶变口径管在不同磨料浓度条件下的流体速度、湍流强度和磨粒速度、动能的分布特性可知，增大磨料浓度，磨粒对壁面的碰撞次数增多，从而有利于对壁面的光整加工作用，但本文研究的四阶变口径管为小孔径管，浓度过大，可能会堵塞孔径，不利于磨粒流动性。根据拉格朗日计算方法，磨料浓度应小于10％，在此范围内，浓度越大，有利于增大近壁面的磨粒数量，提高材料去除量，有利于对壁面的抛光作用。
(3)磨粒粒径对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同磨粒粒径度条件下的流体湍流耗散率、湍流粘度和磨粒动能、速度的分布特性可知，工件表面材料去除率和表面质量提高需依靠不同粒径的磨粒；磨粒粒径越小，液体流动跟随性较好，利用液体湍流运动的随机性，对工件进行随机切削，抛光随机性有利于磨粒流精密加工的均匀性；磨粒粒径越大，磨粒越能和壁面长时间的刮擦，碰撞的次数也多于粒径小的磨粒，可提高材料去除率；
(4)入射角度对四阶变口径管和五阶变口径管工件材料去除的影响：通过分析四阶变口径管和五阶变口径管工件在不同入射角度条件下的流体速度、动态压强和磨粒速度、总能量的分布特性可知，改变入射角度使四阶变口径管和五阶变口径管工件内流场分布发生改变。