磨料体积分数对喷油嘴喷孔加工影响分析

刘薇娜，王尹琛，张英芝，张峻方

(1.长春理工大学 机电工程学院， 长春 130022； 2.吉林大学 机械科学与工程学院， 长春 130025；3.长治清华机械厂 工艺处， 山西 长治 046012)

喷油嘴是发动机供油系统的主要部件，其内部表面加工质量直接影响其雾化特性、油线贯穿度、流量系数及工作效率，进而影响发动机的经济性、动力性和排放指标[1]。但喷油嘴结构复杂且体积较小，喷油嘴喷孔属于0.08～0.14 mm之间的精密微孔，与内腔形成交叉孔，采用常规的抛光方法难以加工，加工后也难以达到精密加工的粗糙度要求，不能满足现在的“绿色低碳”理念[2]。

本文以喷油嘴喷孔为研究对象，采用k-ε模型、Mixture模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟，通过仿真模拟试验探索了在一定磨料参数和工作压力下不同磨粒体积分数对抛光微孔抛光压力、磨料浓度、湍流强度等抛光结果的影响，并确定最优的工艺参数，为现实生产加工磨料的配比提供理论依据。

1 喷油嘴模型的创建与网格的划分

根据喷油嘴相关技术要求，利用Solidworks进行三维建模，得到的三维模型见图1。同时将模型保存为IGS格式，便于前处理软件Hypermesh的导入。

由于喷油嘴管道较长，而研究的主体是喷嘴部分，相对于管道所占体积极小，因此为了减少网格数量，提高计算分析的效率，在保证不影响管内流体流动的前提下适当缩短管道长度。

Hypermesh是一款高性能的有限元前处理软件，为分析产品设计性能提供了高交互式的可视化环境，与商业CAD、CAE系统有广泛的接口并且有一套丰富易用的建立和编辑CAE模型的工具[11]。应用实体几何，Hypermesh可以利用标准和高级步骤为四面体网格和六面体网格划分模型进行连接、分离和切割。本文利用Hypermesh中的solid map模块对喷油嘴进行六面体网格划分，结果如图2所示。网格参数及网格模型如表1所示。

图1 喷油嘴三维模型

表1 喷油嘴网格参数

2 基本参数设置

2.1 求解参数设置

根据磨粒流加工工艺和网格的划分，对喷油嘴磨粒流加工的数值模拟的求解方法设置为3D双精度压力基隐式定常求解方法。湍流模型选用标准k-ε模型。多相流模型选择Mixture模型，并指定相之间无滑流速度。采用SIMPLE半隐式连接压力方程，基于单元体的最小二乘法插值。

2.2 流体材料设置

选用的磨料是由航空煤油和碳化硅颗粒按照一定比例组成的，其中航空煤油充当黏弹体的软性磨料介质，其密度为790 kg/m3。动力黏度为 (1.5～8) mm2/s×790 kg/m3=(1.185～3)×10-3kg/(m·s)，取3×10-3kg/(m·s)。

用碳化硅颗粒充当磨粒，密度为3 170 kg/m3，磨粒微粒直径选择0.01 mm。主相为yet-a，第2相为sic，流体和颗粒都作为连续介质，服从质量守恒定律和动量守恒定律。

2.3 操作环境设置

为了简化模型，操作环境统一为标准大气压，即101 325 Pa，不考虑重力的影响。因5个喷嘴均匀环绕分布，因此将这5个喷嘴都设置为压力出口，同时进行模拟。

3 不同磨粒体积分数条件下磨粒流抛光数值模拟

3.1 磨粒体积分数设置

为探讨磨料浓度对磨粒流抛光的影响，需对不同浓度下磨粒流抛光过程进行模拟。但是由于Fluent只提供设置固相在液相中的体积分数设置，所以选用不同的sic相体积分数来类比磨料的不同浓度，同样具有一定的参考价值。综合考虑实际加工情况，取磨粒sic相的体积分数为0.2、0.3、0.5、0.6，出入口压强分别为1、3 MPa进行模拟。

3.2 仿真结果与分析

通过数值模拟，计算收敛后得到了固相sic在不同体积分数条件下的液固两相磨粒流抛光压强分布云图[12]，如图3所示。综合分析图3发现：在不同的磨粒体积分数时，喷孔与主流道交叉处到喷孔出口之间的压力始终保持不变，但是当磨粒体积分数由0.3增加到0.6时，在喷孔入口处压强减小的速率迅速增大；当sic体积分数为0.6时，磨料在进入喷孔后的极小一段距离内压强由2.31 MPa迅速降到1.61 MPa，随后缓慢地降到出口边界压强值。这是由于固体sic相体积分数的增加使磨料的流动性减弱，流动阻力增加，对入口边界提供的压强有一定削弱作用。因此，磨料浓度过大时容易削弱对喷孔流道壁面的抛光效果，会过度增强喷孔入口处的圆角效果。

由图3中(c)和(d)可以看到：在喷孔入口附近的孔壁上出现了一圈压强异常低的环状压强分布区域。这可能是由于磨粒的含量过高，磨粒之间过度挤压，在喷孔入口处产生了“桥架”现象导致。由此可知：在磨粒流加工时，为保证加工质量，不宜取过高的磨料浓度。

图4为不同sic体积分数条件下，在y=0剖切面磨料的流速分布云图。

图3 不同磨粒体积分数条件下压力分布云图

图4 不同磨粒体积分数条件下流速分布云图

综合分析图4发现：随着磨粒体积分数的增加，由主流道进入喷嘴入口处的速度减小，同时喷孔流道内的磨料的整体流速也减小。这是由于随着磨粒固体体积分数的增加，磨料的流动性减弱，流动阻力增加。为保证磨料具有足够的流速以满足边界层磨料与壁面之间的剪切滑移条件，不可取过高的磨料浓度。

图5为利用不同sic体积分数的磨料进行数值模拟时，y=0剖切面上磨料流动的湍流强度分布云图。

图5 不同磨粒体积分数条件下湍流强度分布云图

由图5可知，随着sic相体积分数的增大，从喷孔入口至喷孔出口之间，湍流强度的梯度数减少，喷孔流道内的整体湍流强度增强。这是由于磨粒体积分数的增加(即粘弹性载体的体积分数减少)，载体对磨粒的粘滞力减弱，使得磨粒运动的约束性减小而变得更加活跃，导致磨料介质流动时的紊乱程度增加。磨粒运动的随机性越大，磨粒对流道孔壁产生的划痕就更加错综复杂，使得其抛光效果更好，能得到较低的表面粗糙度。但是，在抛光效果和加工效率之间应综合衡量，取适当的磨料浓度值。

4 结论

本文以喷油嘴喷孔为研究对象，采用k-ε模型、Mixture模型对磨粒流抛光过程中流场分布规律进行数值模拟，通过仿真模拟试验探索了在一定磨料参数和工作压力下不同磨粒体积分数对抛光微孔抛光压力、磨料浓度、湍流强度等抛光结果的影响。

结合数值模拟研究结果可得出以下结论：

1) 在密度、动力黏度、磨粒密度及磨料直径一定和在一个标准大气压的工作压力下，随着磨料体积分数的增加，磨料的流动性减弱，流动阻力增加，载体对磨粒的黏滞力减弱。

2) 在密度、动力黏度、磨粒密度及磨料直径一定和在一个标准大气压的工作压力下，随着磨料体积分数的增加，虽然“刀具”更多，效率更高，但是却影响了最终的表面质量。

3) 在密度、动力黏度、磨粒密度及磨料直径一定和在一个标准大气压的工作压力下，综合考虑抛光效果和加工效率，不宜选取过高的磨料浓度。

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