【文章內(nèi)容簡介】 行鏡面拋光，使研磨痕和流體通過方向一致，有效的提高模具或工件的性能、質(zhì)量、光潔度，達(dá)到鏡面等級，同時延長模具及工件的使用壽命，更能提升產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)能 【15】 。圖 18 SPKS 擠壓研磨流體拋光機(jī)械2. 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀我國很早就引進(jìn)了磨粒流光整技術(shù)，并用于鋁型材模具的拋光。引進(jìn)的鋁型材生產(chǎn)線上一般都配有磨粒流設(shè)備通稱擠壓研磨設(shè)備。國內(nèi)有幾家研究單位已將該工藝用于不同類型零件的光整加工，在夾具設(shè)計及加工控制方面積累了一些經(jīng)驗。已在航空、航天、汽車、紡機(jī)、模具等領(lǐng)域取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但由于對這項光整技術(shù)宣傳不夠，很多人至今還不了解，在一些領(lǐng)域里處于空8白狀態(tài)。另外，由于該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用尚不廣泛，經(jīng)驗也不足，工藝上也不成熟，自動化程度不高，未能達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模，磨粒流加工的優(yōu)勢尚未充分發(fā)揮出來。北京航空工藝研究所經(jīng)過幾年的探索和研究，現(xiàn)在已取得了可惜的進(jìn)展。自行開發(fā)的磨粒流介質(zhì)，性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品。圖 19 中航工業(yè)北京航空制造工程研究所近年來，F(xiàn)letcher 等研究了磨料流加工中應(yīng)用的高分子聚合物的熱特性和流變性，認(rèn)為介質(zhì)的流變性對磨料流加工的成敗具有重要的作用。Davies 和Fletcher 研究了幾種配料的流變性與其相應(yīng)加工參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明粘度和磨料的比例都會影響溫度和介質(zhì)通過工件的壓力下降，在磨料加工過程中溫度是影響介質(zhì)粘度的一個重要因素 【16】 。Williams 和 Rajurkar 的研究表明，介質(zhì)的粘度和擠壓力主要決定著表面的粗糙度和材料去除率，表面粗糙度精度的改善主要發(fā)生在磨料介質(zhì)的前幾個擠壓往復(fù)進(jìn)程中，并提出了估算動態(tài)有效切削磨粒數(shù)目的方法和每個行程中磨粒損傷的計算方法。他們還提出了多孔拋光中金屬出去分布的實驗方法與定量分析方法，發(fā)現(xiàn)用磨粒流加工一個具有中心孔和 四個外圍孔的工件時，中心孔的金屬去除率比外圍孔的金屬出去率高30%。 Williams 和 Rajurkar 研究探索了磨料流加工過程特性的一些方面和表面的特性化以及過程建模，研究了工藝輸入?yún)?shù)對工藝性能參數(shù)的影響，利用DDS 隨機(jī)建模與分析技術(shù)研究了磨料流加工表面。磨料流加工表面輪廓模型的格林函數(shù)揭示了其特性形狀是雙指數(shù)的疊加。Williams 等還研究提出了基于監(jiān)控策略和磨料流加工的聲發(fā)性特性的磨料流加工聲發(fā)射在線監(jiān)控和自適應(yīng)控制系9統(tǒng)，但是這些研究工作僅僅考慮了一部分過程參數(shù)而忽略了其他一些關(guān)鍵參數(shù)。磨料流加工去除了傳統(tǒng)以及特種加工對工件表面的影響，使表面更加均勻一致；磨料流加工與磨削加工有很多相似之處。在國內(nèi)王純、楊建明和王潔針對傳統(tǒng)的磨料流加工在磨料介質(zhì)流速增大的情況下容易出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象從而易失效的不足，研究開發(fā)出了磨料流振動拋光機(jī)床和相應(yīng)的加工技術(shù)，從而有利于較大幅度提高拋光效率，并提出了磨料流加工流動新的邊界條件假設(shè)，用簡易實驗驗證了這種假設(shè)。湯勇等對磨料流加工存在的壁畫滑動現(xiàn)象進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明：磨料平均速度存在著臨界值，在于平均速度時存在壁面滑動現(xiàn)象，同時壁滑速度隨磨料平均速度增加而增大；磨料粘度升高，會使平均速度臨界減少，而壁滑速度增加的程度卻增大，存在壁滑是實現(xiàn)磨料流加工的前提條件。 小結(jié) 本節(jié)我們回顧了磨料流加工的形成及其加工特點，研究了其目的和意義以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，使我們對其有了一個大致而清晰的了解。10第 2 章 Fluent 軟件 GAMBIT 軟件介紹GAMBIT 是面向 CFD 的幾何建模和網(wǎng)格生成軟件，是目前 CFD 分析中最優(yōu)秀的前置處理器，它包括先進(jìn)的幾何建模和網(wǎng)格劃分方法。用戶既可以在GAMBIT 中直接建立點、線、面、體的幾何模型，也可以從PRO/E、UG、 CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS 等主流的 CAD/CAE 軟件中導(dǎo)入創(chuàng)建好的實體與網(wǎng)格。GAMBIT 與 CAD 軟件的接口和功能強(qiáng)大的布爾運算能力可使用戶方便的建立復(fù)雜幾何模型。借助其功能靈活、完全集成和易于操作的界面，GAMBIT 軟件可以顯著減少 CFD 應(yīng)用中前置處理的時間。復(fù)雜的模型可直接采用 GAMBIT 固有幾何模塊生成，或由 CAD/CAE 構(gòu)型系統(tǒng)導(dǎo)入。高度自動化的網(wǎng)格生成工具保證其最佳質(zhì)量的網(wǎng)格生成，如結(jié)構(gòu)化的、非結(jié)構(gòu)化的、多塊的、混合的網(wǎng)格。GAMBIT 可以生產(chǎn) FLUENT、FIDAP、POLYFLOW等求解器所需要的網(wǎng)格，它提供的非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格生成程序，對相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效。FLUENT 還可根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。由于網(wǎng)格自適應(yīng)和調(diào)整只是在需要加密的流動區(qū)域里實施，而非整個流場，因此可以節(jié)約計算時間。GAMBIT 是為了幫助分析者和設(shè)計者建立并網(wǎng)格化計算流體力學(xué)（CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計的一個軟件，GAMBIT 通過它的用戶界面（GUI）來接受用戶的輸入。GAMBIT GUI 具有簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等功能。計算機(jī)網(wǎng)格根據(jù)性質(zhì)的不同，可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。對于二維平面系統(tǒng)模型而言，四邊形網(wǎng)格屬于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而三角形網(wǎng)格則屬于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。三維立體系統(tǒng)模型則較復(fù)雜，有四面體、五面體、六面體和楔形等等立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。其中，六面立方體或六面長方體皆屬于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他則皆屬于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因為流動域的幾何模型比較復(fù)雜，噴油嘴零件的計算網(wǎng)格主要采用非結(jié)構(gòu)化的三角形、四邊形的面網(wǎng)格以及非結(jié)構(gòu)化的四面體、五面體和六面體的體網(wǎng)格，在靠近壁面的流動區(qū)域采用了棱柱型的邊界層網(wǎng)格，以便準(zhǔn)確地模擬流動和換熱情況。圖 21 給出了 GAMBIT 中常用的網(wǎng)格類型。相對四邊形的面網(wǎng)格和六面體的體網(wǎng)格而言，在流動域內(nèi)生成三角形的面網(wǎng)格和四面體的體網(wǎng)格更容易一些，而且網(wǎng)格數(shù)相對也少。但采用四邊形面網(wǎng)格可以允許網(wǎng)格單元的變形更大一些，而三角形、四面體網(wǎng)格單元會因為網(wǎng)格的變形過大而增加網(wǎng)格的扭曲率，從而影響計算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性。需要11指出的是如果采用非結(jié)構(gòu)化的三角形、四面體網(wǎng)格模型來求解，需要采用二階求解精度。為了提高求解精度，防止數(shù)值離散，對于相對簡單的幾何結(jié)構(gòu)最好還是采用四邊形、六面體網(wǎng)格來劃分。而對于復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)采用三角形、四面體網(wǎng)格來劃分，此類網(wǎng)格容易生成網(wǎng)格單元并且可以減少網(wǎng)格數(shù)，比較適用于幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的噴油嘴噴孔結(jié)構(gòu)。噴油嘴二維及三維網(wǎng)格劃分如圖 2 2 所示。圖 21 GAMBIT 常用網(wǎng)格類型當(dāng)影響網(wǎng)格大小的因素較多，主要有以下幾個方面：幾何實體的大小是決定網(wǎng)格尺寸的主要因素；理想的三角形網(wǎng)格是等邊的，面網(wǎng)格的尺寸將影響體網(wǎng)格的大小進(jìn)而影響邊界層的求解；相鄰結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格尺寸也會影響網(wǎng)格的大小，若與凹坑處相鄰邊界面的尺寸較大，那么凹坑處生成的網(wǎng)格只有一個體網(wǎng)格，這樣該處的網(wǎng)格質(zhì)量就會變差。無論采用何種方式來劃分計算網(wǎng)格，網(wǎng)格的類型、尺度和質(zhì)量都會直接影響到 CFD 分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。噴油嘴二維網(wǎng)格劃分 噴油嘴三維網(wǎng)格劃分圖 22 噴油嘴模型網(wǎng)格劃分磨粒流加工過程屬于復(fù)雜的湍流流動，復(fù)雜的湍流流動在傳輸平均動量和其它標(biāo)量過程中起著主要作用，如果要實現(xiàn)對湍流流動的正確模擬，那么對靠12近壁面流動區(qū)域劃分計算網(wǎng)格是有要求的。由于湍流的平均流動和脈動之間存在著很強(qiáng)的相互作用，湍流的數(shù)值模擬計算結(jié)果比層流流動更容易受到網(wǎng)格的影響。為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，對于靠近壁面區(qū)域湍流的求解最好選擇在平均流動變化快而且平均應(yīng)力較大的邊界層所在的區(qū)域。在計算網(wǎng)格的處理上，在流動域靠近壁面部分要采用加附面層的方法，在流體流動區(qū)域的表面網(wǎng)格和內(nèi)部網(wǎng)格之間再劃分出一個特定區(qū)域，用以保證壁面附近的湍流計算的準(zhǔn)確性。磨粒流加工過程屬于復(fù)雜的湍流流動，復(fù)雜的湍流流動在傳輸平均動量和其它標(biāo)量過程中起著主要作用，如果要實現(xiàn)對湍流流動的正確模擬，那么對靠近壁面流動區(qū)域劃分計算網(wǎng)格是有要求的。由于湍流的平均流動和脈動之間存在著很強(qiáng)的相互作用，湍流的數(shù)值模擬計算結(jié)果比層流流動更容易受到網(wǎng)格的影響。為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確，對于靠近壁面區(qū)域湍流的求解最好選擇在平均流動變化快而且平均應(yīng)力較大的邊界層所在的區(qū)域。在計算網(wǎng)格的處理上，在流動域靠近壁面部分要采用加附面層的方法，在流體流動區(qū)域的表面網(wǎng)格和內(nèi)部網(wǎng)格之間再劃分出一個特定區(qū)域，用以保證壁面附近的湍流計算的準(zhǔn)確性。噴油嘴模型的網(wǎng)格劃分如圖 224 所示。圖 23 噴油嘴二維網(wǎng)格劃分可用 GAMBIT 軟件生成混合型四面體網(wǎng)格，在靠近壁面的邊界層內(nèi)生成一層很薄的三棱柱網(wǎng)格，在流體內(nèi)部區(qū)域生成四面體網(wǎng)格。與在整個流動域全部生成四面體網(wǎng)格相比，此種方法在靠近壁面流動區(qū)域為棱柱型混合網(wǎng)格，可以更好的模擬流體接近壁面區(qū)域的流場的情況，計算結(jié)果也更為準(zhǔn)確可靠。圖 24 噴油嘴三維網(wǎng)格劃分需要指出的是，本章網(wǎng)格劃分采用指定網(wǎng)格間距（interval size）模式，支路網(wǎng)格密度大于干路網(wǎng)格密度。當(dāng)網(wǎng)格劃分成功后，將創(chuàng)建成功的模型導(dǎo)出保存為*mesh 文件，啟動 FLUENT 讀取此文件，選擇恰當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)即可進(jìn)行數(shù)13值分析。 FLUENT 軟件概述FLUENT 是目前處于世界領(lǐng)先地位的商業(yè) CFD 軟件包之一，最初由FLUENT 。2022 年 2 月 ANSYS FLUENT 成為全球最大的 CAE 軟件公司。 就是由 ANSYS 新版本，CFD 軟件通常都包含 3 個主要功能部分：前處理器、求解器、后處理器。FLUENT 是一個用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件。FLUENT 提供了靈活的網(wǎng)絡(luò)熱性，可以支持多種網(wǎng)絡(luò)。用戶可以自由選擇使用結(jié)構(gòu)化或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)來劃分復(fù)雜的幾何區(qū)域，例如針對二維問題支持三角形網(wǎng)絡(luò)或者四邊形網(wǎng)絡(luò)；面體網(wǎng)絡(luò)；同時也支持混合網(wǎng)絡(luò)。用戶也可以利用 FLUENT 提供的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)特性在求解過程中根據(jù)所獲得的計算結(jié)果來優(yōu)化網(wǎng)格。FLUENT 是使用 C 語言開發(fā)的，支持并行計算，支持 UNIX 和 WINDOWS等多平臺，能夠在安裝不同操作系統(tǒng)的工作站和服務(wù)器之間協(xié)同完成同一個任務(wù)。FLUENT 通過菜單界面和用戶進(jìn)行交互，用戶可以通過多窗口的方式隨時觀察計算的進(jìn)步和計算結(jié)果 【11】 。FLUENT 軟件包主要由 GAMBIT、Tgrid、Fliters、FLUENT 幾部分組成。（1）前處理器。包括 GAMBIT、Tgrid 和 Fliters。其中 GAMBIT 是由FLUENT CFD 前置處理器，用于模擬對象的幾何建模以及網(wǎng)格組成。Tgrid 是一個附加前置處理器，它可以從 GAMBIT 或其他CAD/CAE 軟件包中讀入所生成的模擬對象的幾何結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格開始生成由三角形、四面體、混合網(wǎng)格組成的體網(wǎng)格。Fliters 實際上就是其他CAD/CAE 軟件包，例如 ANSYS、CGNS 等于 FLUENT 之間的接口，通過接口可以將由其它 CAD/CAE 軟件包所生成的面網(wǎng)格或體網(wǎng)格讀入到 FLUENT。(2)求解器。它是 CFD 軟件包的核心，F(xiàn)LUENT 實際上是一個求解器， 是一個基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用求解器，支持并行計算，分單精度和雙精度兩種。一旦所生成的網(wǎng)格讀入到 FLUENT 中，所有剩下的操作都可以在 FLUENT 里面完成，其中包括設(shè)置邊界條件、定義材料性質(zhì)、執(zhí)行求解、根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化網(wǎng)格、對計算結(jié)果進(jìn)行后處理等。(3)后處理器。FLUENT 本身就附帶有強(qiáng)大的后處理功能，有云圖、等值線圖、矢量圖、剖面圖、XY 散點圖、粒子軌跡圖、動畫等多種方式顯示、存儲和輸出計算結(jié)果，可以平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像圖像，也可以將計算結(jié)果導(dǎo)出到其他 CFD、FEM 軟件或其他后處理軟件中，例如 Tecplor。14FLUENT 的強(qiáng)大的求解功能使其廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、機(jī)器制造、汽車、船泊、兵器、電子、鐵道、石油天然氣、材料工程等領(lǐng)域。利用 FLUENT 進(jìn)行流體流動與傳熱的模擬的計算流程如圖 25 所示。首先利用 GAMBIT 進(jìn)行流動區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)格的生成，并輸出用于 FLUENT 求解器計算的格式，然后利用 FLUENT 求解器對流動區(qū)域進(jìn)行求解計算，并進(jìn)行計算結(jié)果的后處理。 圖 25 基本結(jié)構(gòu)程序示意圖FLUENT 程序的用途1 采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計算二維和三位流動問題。計算過程中，網(wǎng)絡(luò)的可以自適應(yīng)。2 可壓縮與不可壓縮流動問題3 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題4 無粘流，層流及湍流問題5 牛頓流體以及非牛頓流體6 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）7 導(dǎo)熱于對流熱耦合問題8 輻射換熱9 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬10 多運動坐標(biāo)系下的流動問題11 化學(xué)組成混合與反應(yīng)12 可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學(xué)組成的源項13 用 lagrangian 軌道模型模擬稀疏相1514 多孔介質(zhì)流動15 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算16 兩相流問題17 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動 小結(jié)在進(jìn)行磨粒流數(shù)值分析前，必須首先應(yīng)對被分析零件進(jìn)行模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格的劃分工作，網(wǎng)格的質(zhì)量將影響數(shù)值分析的精度。利用 CFD 前處理軟件GAMBIT 來進(jìn)行模型的創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分工作，這樣求解的結(jié)果就可以直接導(dǎo)入FLUENT 軟件中進(jìn)行求解，最后達(dá)到對問題進(jìn)行處理和分析的目的。16第三章 數(shù)學(xué)模型和計算方法 數(shù)學(xué)模型任何流體運動