[发明专利]一种基于多物理耦合场的离散元固液两相磨粒流加工变口径管的数值模拟方法

摘要

本发明涉及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(本发明研究对象为四阶变口径管和五阶变口径管)几何模型；(2)变口径管流道模型的网格划分；(3)CFD‑DEM耦合物理参数设置；(4)CFD软件和DEM软件中边界条件的设置；(5)加工工艺参数选取；(6)CFD‑DEM耦合结果进行后处理；本发明方法对变口径管磨粒流加工在多物理耦合场的离散元法进行数值模拟分析，连续相和离散相通过CFD‑DEM耦合进行计算，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。

主权项

1.一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，其特征在于：具体步骤如下：(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)变口径管流道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)CFD‑DEM耦合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)CFD软件和DEM软件中边界条件的设置：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：根据雷诺数方程计算，ρ‑流体密度磨，v‑流体速度，D‑工件入口孔径，η‑粘性系数；磨料流动可以形成湍流状态，采用k‑ε湍流模型；在CFD软件中，k‑epsilon Model中选择RNG模型(RNG k‑ε两方程模型，RNG＝Re‑normalization group，是流体力学中的一个湍流模型)，在Near‑Wall Treatment中选择Standard Wall Functions(标准壁面方程)，在Time中选择Transient(瞬态计算)；(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(Pressure Outlet)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Fartory Type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Track Collisions(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Sample Points为10，一个磨粒可以在10个网格中运动，增大Sample Points的大小，可以增大模拟的稳定性；设置Momentum Under‑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)磨粒流加工工艺参数选取：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。