机械设计制造及其自动化毕业设计（论文）-喷油嘴微小孔磨粒流加工数值模拟.doc

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1、编号 本科生毕业论文本科生毕业论文 喷油嘴微小孔磨粒流加工数值模拟喷油嘴微小孔磨粒流加工数值模拟 Micro-hole of Nozzle Abrasive Flow Machining Numerical Simulation 学学 生生 姓名姓名 专专 业业机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号号 指指 导导 教师教师 学学 院院机电工程学院机电工程学院 20112011 年年 6 6 月月 摘摘 要要 喷嘴嘴作为电喷发动机的关键部件，它的工作好坏将严重影响发动机的性 能。随着人们对于产品小型化和加工过程微型化的追求，磨料流加工技术随之 应运而生。本文介绍磨料流加工的基本工

2、作原理及其特点，利用 GAMBIT 进行模 型创建及网格划分工作，利用 FLUENT 软件对喷油嘴零件进行数值模拟，通过数 值 模拟获得磨粒流加工喷油嘴的动态压强、静态压强、速度等仿真曲线，并对其 进行了分析与总结。通过对零件进行数值模拟技术，我们可以检验设计中的失 误，提高设计的效率和减少设计成本，实现零件的最优化设计。 关键词关键词：磨料流工 FLUENT GAMBIT 数值模拟 长春理工大学本科毕业设计 I Abstract Nozzle is the key component to EFI engine ,its quality of work will seriously affe

3、ct the engine performance. With the product miniaturization and the pursuit of miniaturization process, it come into being along Abrasive Flow Machining technology. This article describes the AFM basic working principle and features, we use GAMBIT mesh to create and work, simulate the nozzle part in

4、 fluent, by numerical simulation we can obtain the simulation curve which is about the dynamic pressure. static pressure. velocitye and so on ,and get its analysis and summary. Through the numerical simulation of Parts, we can test the design errors, improve design efficiency and reduce design costs

5、, and gets the optimal design of the parts at last. KeywordsKeywords: Abrasive Flow Machining； FLUENT； GAMBIT； Simulation 长春理工大学本科毕业设计 I 目录目录 摘摘 要要I I ABSTRACTABSTRACTIIII 目录目录IIIIII 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.11.1 引言引言.1 1.21.2 研究磨粒流的目的和意义研究磨粒流的目的和意义 3 1.31.3 磨粒流技术国内外的发展现状磨粒流技术国内外的发展现状6 1.41.4 小结小结 9 第第 2

6、 2 章章 FLUENTFLUENT 软件软件 1010 2.12.1 GAMBITGAMBIT 软件介绍软件介绍 10 2.22.2 FLUENTFLUENT 软件概述软件概述 13 2.32.3 小结小结.15 第三章第三章 数学模型和计算方法数学模型和计算方法1616 3.13.1 数学模型数学模型16 3.1.13.1.1 控制方程数学模型控制方程数学模型 16 3.1.23.1.2 流体相数学模型流体相数学模型 17 3.1.33.1.3 颗粒相碳化硅数学模型颗粒相碳化硅数学模型 17 3.1.43.1.4 湍流数值模拟数学模型湍流数值模拟数学模型 18 3.23.2 计算方法计算方

7、法.18 3.2.13.2.1 有限差分法有限差分法 19 3.2.23.2.2 有限元素法有限元素法 19 3.2.33.2.3 有限体积法有限体积法 19 3.33.3 FLUENTFLUENT 求解方法的选择求解方法的选择 19 3.43.4 小结小结.20 第四章第四章 湍流模型与边界条件湍流模型与边界条件2121 4.14.1 湍流模型湍流模型.21 4.24.2 边界条件边界条件.23 4.34.3 小结小结.25 第五章第五章 数值模拟算法与多相流的选择数值模拟算法与多相流的选择2626 5.15.1 求解器的选择求解器的选择 26 5.25.2 离散格式的选择离散格式的选择 2

8、6 5.35.3 压力速度耦合方法的选择压力速度耦合方法的选择 26 5.45.4 多相流仿真的选择多相流仿真的选择 26 5.55.5 小结小结 27 第六章第六章 喷油嘴数值模拟喷油嘴数值模拟2828 长春理工大学本科毕业设计 I 6.16.1 喷油嘴二维数值模拟喷油嘴二维数值模拟 .28 6.26.2 小结小结 .33 结结 论论3434 参考文献参考文献3535 致谢致谢3636 长春理工大学本科毕业设计 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 尽管磨料流加工技术已有 50 余年的研究和应用历史，而且国内外的一些研 究工作者从 20 世纪 70 年代以来一直在不懈地从

9、事着该技术的研究工作，但该 技术的研究和应用基本上还停留于实验研究方面，或者说仍处于研究和应用的 初级阶段，由于其加工过程只能由工程技术人员主动地进行控制，所以目前主 要还是适于单件加工生产，很难推广应用于大规模生产。这主要是因为目前还 缺乏对磨料流加工过程的综合复杂特性的支持。而磨料流叫那个所用夹具的设 计是决定磨料流加工效果甚至是决定磨料流加工成败的一个关键因素。如夹具 上磨料流的进出口位置、大小、方向、数量等的设计确定，对于磨料流在工件 行腔或者夹具型腔的压力与流速分布具有重要影响，从而影响其加工的质量和 效率。这样的一些设计问题目前基本完全依赖于设计人员个人的实践经验，其 结构设计是否

10、合理甚至是否达到最优设计，尚不能在设计阶段作出可靠的分心 评价，而只能通过实际加工，根据加工的结果对其结构设计进行可行性评价【1】。 实际中大多数的设计尤其是复杂的设计很难保证一次设计的成功率，往往要经 过多次的实验和反复修改，这不仅严重影响了加工生产周期的缩短，而且在无 法进行结构设计修改的情况下容易造成夹具或模具的报废，从而造成很大的浪 费，增加生产成本，延误市场竞争的战机。 从现代市场竞争的观点来看，也就是制约着企业对市场需求反应的灵敏性， 即从硬件技术方面制约先进制造技术的理念在一个企业的实施。实际中需要用 磨料流进行表面抛光加工的工件的表面形状和尺寸各异，且差异很大，如何根 据其材料

11、、形状和尺寸大小以及表面质量初始状态等来合理地选用磨料流中磨 料类型、粒度及其粘结剂、润滑剂等的合理配比以及磨料流加工的合理压力、 流速、往复行程次数等目前尚不能从理论上给出一个合理的答案，主要还是根 据经验和实验来决定。这些问题正是磨料流加工技术目前难以应用于大批量生 产以及推广应用的主要困难和技术障碍，可以相信这些问题如能较好给予研究 解决，一定能够大大推动磨料流加工技术的实际使用，从而产生巨大的经济和 社会效益。 要深入理解和控制磨料流加工过程，就必须更多地了解金属去除与表面生 成的机理，过程模型、加工能力和控制方法，而要做到这些并解决上述存在的 主要问题，就必须一方面借助于磨料流加工的

12、传统实验研究方法、大量从事磨 料流加工机理和工艺规律的实验研究和数据积累，同时在此基础上充分利用现 代数值计算和计算机虚拟仿真技术，开着磨料流加工虚拟技术的研究，从理论 长春理工大学本科毕业设计 2 上对磨料流加工的进行虚拟仿真，实现虚拟制造。利用磨料流加工虚拟技术可 在设计阶段实现对磨料流加工夹具设计方案的可行性评价以至实现其结构性和 磨料流加工过程的优化和监控【2】。 随着产品的不断精密化，人们对产品表面质量及功能性边缘的要求不断提 高，传统的加工工艺已无法达到其精度要求。在加工过程中，工件的加工稳定 性如同公差一样要尽量完美，并且有着同样程度的要求。精密零件制造中的最 终精加工是一种劳动

13、强度大而不易控制的过程，它在全部制造成本中所占的比 重非常高。磨粒流加工技术是一种能够保证精度、效率、经济的自动化光整加 工方法，是解决精密零件最终精加工的一种有效手段。它是以一定的压力强迫 含磨料的粘弹性物质性体，称其为柔性磨料或粘弹性磨料，通过被加工表面， 利用其中磨粒的刮削作用去除工件表面微观不平材料而达到对工件表面光整加 工的目的。磨粒流加工技术是国外 20 世纪 70 年代以来开始推广应用的一种先 进光整加工技术，宇航用的液压阀体孔道多，孔道相互交叉，台阶孔，交叉孔 内的毛刺很难去除，柔性磨体加工技术就是为解决宇航用液压阀体孔道内的毛 刺去除问题从美国发展起来的【3】。这项技术出现后

14、很快在液压、模具、航空、 纺织机械、汽轮机、齿轮等机械行业中获得应用。后来，日本、西欧和前苏联 都引进和采用了磨粒流加工技术。 我们国家曾将磨料流加工技术列为七五攻关技术项目之一进行了研究，取 得了一定的实验研究成果，在 20 世纪 80 年代初成功的研究开发了磨料流加工 机床、加工所用的柔性磨料及加工技术，成果推广应用于多个企业。 磨粒流工艺的发明，可以说创立了内外表面边角处理的新概念，使得金属 表面处理更具特色。其更大优势在于，随着现代制造技术微型化，密集化，越 来越多的零件结构呈现出封闭的无规则的同时又要求高质量表面的各种型腔、 通道等，磨粒流工艺在这些部位的微量加工和抛光方面可谓独树一

15、帜。不但如 此，磨粒流工艺还可以成功地对各种材料进行微量研磨加工，包括较软的有色 金属直至坚韧的镍合金、陶瓷和硬质合金等制作的零件，非常适应现代制造材 料和制造技术的发展【4】。 磨粒流加工是利用磨粒流中的磨砂充作无数的切削刀具(自锐性)，以其坚硬 的锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的。在工艺实 施中，通常采用两个相对的磨粒缸使磨粒在零件和夹具所形成的通道中来回挤 动。磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。当磨粒均匀而渐进 地对通道表面或边角进行工作时，产生去毛刺、抛光及倒角的作用。 磨粒流加工工艺中有 3 个重要环节。 (1)挤压研磨机床。固定工件和夹具，在一

16、定的压力作用下，使磨粒通过 长春理工大学本科毕业设计 3 被加工表面，达到研磨，去毛刺，倒角及抛光的目的(图 1-1)。由机床控制挤出 压力，压力范围从 7 一 224 kg / cm。 (2)磨粒。由柔性的半固态载体和一定量磨砂拌制而成，有不同粘度、流变、 磨砂粒度和密度。最常用的磨砂是碳化硅。根据被加工材料，还可选择立方氮 化硼、氧化铝和金钢砂。砂粒尺寸为 0.005 1.5 mma 高粘度磨粒可用来对零件 的壁面和大通道进行均匀研磨。低粘度磨粒可用来对零件边角倒圆和小通道的 研磨【5】。 磨粒的粘度，挤压压力和通道的大小决定了磨粒的流速，影响到研磨量， 磨削均匀性和边角倒圆大小。 (3)

17、夹具。使零件定位。并引导磨粒通达被加工部位。堵住不需要加工的部 位。有些零件的磨粒流加工不需要夹具辅助，如模具等。有些加工仅需简单夹 具(图 1-2)。大批量零件生产所用的夹具，要设计得易于装、卸、清洗，通常须 安装在分度台上。这样的夹具，一次可加工许多零件【6】。 图 1-1 磨粒流的加工原理图和去毛刺 图 1-2 不同粘度的磨粒流 长春理工大学本科毕业设计 4 1.21.2 研究磨粒流的目的和意义研究磨粒流的目的和意义 当今材料、计算机、精密零件的不断发展，将带动制造技术整体推进。特 别以航天、航空工业为标志的高精技术密集行业，出现了许多应用新材料，新 技术设计的各种零件精度更高，重量更轻

18、，结构更复杂。而制造这些零件的高 端工艺也给我们带来了挑战，使我们的光整工艺不断完善。尤其在航天领域， 几乎所有大型飞机制造公司的发动机厂和维修厂都使用磨粒流工艺加工各种各 样的零件。除了作为一种抛光手段，磨粒流工艺还可以对那些形状公差、质量 要求极其严格的零件进行微量磨削加工。主要应用场合分布在以下几个领域:调 整叶片、叶轮、油嘴、化油器和定子的气流阻力，增大涡流数值，去除激光和 电火花加工所产生的重铸层，改善压缩机和涡轮零件翼形表面状态，去除毛刺， 对零件的内外边角进行倒圃，齿轮去毛刺和超精抛光，对旧零件讲行修招.去除 积碳.以及改善表面的招休完雄性。具体应用介绍如下。 (1)调整喷油嘴小

19、孔流量。以下是喷油嘴图片。图 7 为电火花加工后小孔状 况;图 8 为同一小孔经微孔磨粒流加工后的状况7。可以看出光滑的孔边缘和均 匀的表面(图 1-3)。 图 1-3 粗加工和磨粒流加工的表面对比 喷油嘴经微孔磨粒流加工，减小了流量散差，使流量更为精确。孔的出口 保持锐利，而在内径处产生均匀的圆角，并使表面光滑，轮廓完整。进口处的 光洁和圆角，使小孔流量增大，寿命提高，这些经微孔磨粒流处理过的油嘴， 其流量散差可控制在 1%以内。 (2)改善疲劳强度。微孔磨粒流均匀倒圆了油道与油腔的交叉处，改善了疲 劳强度，如图 9 所示。喷油器体、高压泵壳体、增压器、阀和针阀体等柴油机 零件经过磨粒流加工

20、后，在高压孔交叉处产生大的圆角(0.1mm 到 0.5mm 以上)， 改善了高脉冲产生的疲劳强度。柴油机中的高压油管，要不断经受很高压力的 冲击，达 1000Ba 以上。因此在一些应力集中的地方会产生疲劳损坏。磨粒流方 长春理工大学本科毕业设计 5 法光整表面，去除疵点，倒圆锐角，大大增加了零件的可靠性，延长了使用寿 命8。 (3)提高性能。汽车进气管，手工抛光其内表面时，只能先切割开，抛好以 后再焊接起来。而用磨粒流加工方法，不需要切割打开，就可以使磨粒挤压通 过所有的管道(图 1-4)。磨粒流除了使进气管道的壁面得到抛光外，还使管道 内部空间增大，气流量增高。经空气推力测试，抛光后推力增加

21、 17%到 23%。研 磨量的多少，很大程度上取决于零件浇铸表面的粗糙度。 图 1-4 磨粒流加工处理管道 磨粒流工艺己广泛用于汽车零件的精加工:进排气管、进气门、增压腔、喷 油器、喷油嘴、泵、二冲程、四冲程汽缸头、涡轮壳体、涡轮叶片、花键、油 头和齿轮等,下图(图 1-5)就是一个涡轮发动机中涡轮抛光的例子。 各种机械结构中的传动齿轮，包括涡轮、涡杆和伞齿轮都可以用磨粒流加 工。可以提高齿轮使用寿命，减少传动嗓音。 图 1-5 磨粒流涡轮抛光前后对比 铸件可直接在专门的生产性磨粒流系统上抛光。这个磨粒流系统每小时抛 光 3U 个汽缸头。计算机控制所有加工参数。旋转台面上有两个工位。当一个部

22、件在加工时，另一个工位做装卸、准备工作。 ， (4)用于模具抛光。模具需要光洁的表面，以便于成型、脱模，确保产品的 表面质量。这种要求很高的工序，传统上是由熟练的技术工人进行手工研磨， 其不稳定性是不可避免的。磨粒流的出现使通道、型腔的高精度成为现实。磨 长春理工大学本科毕业设计 6 粒流使模具表面光洁度提高而更为可靠并降低劳动成本9。 由电火花加工而成的三通道铝挤出模，在磨粒流机床上经过约六分钟的加 工，其表面粗糙度从 Re 0.4 提高到 Ra 0.1 。这类模具使用细磨粒磨削，不会改 变工作带形状，每个齿廓都经抛光，能保持均衡的挤出速度。 电火花成形、线切割、铣削以及磨削加工的零件表面，

23、经磨粒流加工，其 表面粗糙度可提高 10 个数量级，该图是模具表面经电火花加工后的金相图，每 一张图的状态经过 2 分钟抛光，其粗糙度等级可提高 10 个数量级。 磨粒流加工可用于抛光各种模具:挤出模、成型模、拉丝模、锻压模和冷锻 模具等。 (5)磨粒流加工技巧。磨粒流加工是一种特殊的表面处理工艺，自然有其与 众不同的特点。如果充分注意这些特点并加以利用，将获得最佳效果。比如磨 粒流无论粘度如何，在夏天都会变稀，要达到相同的目的必须适当增加挤动次 数，当然如果加工参数选择过高，将导致磨粒发热，使其切削性下降。从小孔 径流量理论来说，狭窄空间流量快，故在工艺设计时要注意这一因素，例如对 大径或盲

24、孔的磨粒流加工最好设计专用喷嘴，如图 1-6 所示，以此来形成狭窄 空间。这里需要强调的是去毛刺，抛光，倒圆角用磨粒流不一样，建议不要使 用同一种磨粒流完成不同工艺过程。此外，还要倡导绿色制造，加强磨粒收集， 进行环保处理。对于完成磨粒流加工的零件内残存的磨粒，只需经过液体浸泡， 震动即可清除，然后再清洗，吹干【10】。 图 1-6 磨粒流加工技巧应用 1.31.3 磨粒流技术国内外的发展现状磨粒流技术国内外的发展现状 1. 国外的发展现状国外的发展现状 由德国制造的 Perfect Finish GmbH 磨粒流流体动力研磨系统，主要运用在 航天及汽车工业,有着复杂几何图形合金含量较高的部件

25、抛光及去毛剌【12】。这 种全自动研磨技术可以替代以前各种费时的人工去毛剌和抛光工序，人工操作 通常无法达到长久一致的表面质量保证。现在，磨粒流体动力研磨技朮作为一 种加工方法,适用于在内外部都需要高质量表面的产品。打破以传统手工研磨抛 长春理工大学本科毕业设计 7 光工序: 适用于在内外部都需要高质量表面的产品例如：涡轮机内部零件/航天/ 汽车/各类精密工件【13】。挤压工业:平面/分流/多孔/精细复杂模具。药用业/纺织 业/液压/压缩/气动工件。 图 1-7 德国 Perfect Finish Gmbh 磨粒流流体动力研磨系统 SPKS 挤压研磨流体抛光机械为微精处理机械，对于凹陷面与弯曲

26、孔道等通 常刀、磨具达不到的复杂形状优为有效，该技术打破了传统的手工研磨抛光工 序，使微孔、多孔、长孔、弯孔、异形孔的工件抛光研磨便利、轻松，特别是 在气体、液体类的导通管内进行镜面抛光，使研磨痕和流体通过方向一致，有 效的提高模具或工件的性能、质量、光洁度，达到镜面等级，同时延长模具及 工件的使用寿命，更能提升产品的品质和产能【15】。 图 1-8 SPKS 挤压研磨流体抛光机械 2. 国内的发展现状国内的发展现状 我国很早就引进了磨粒流光整技术，并用于铝型材模具的抛光。引进的铝 型材生产线上一般都配有磨粒流设备通称挤压研磨设备。国内有几家研究单位 已将该工艺用于不同类型零件的光整加工，在夹

27、具设计及加工控制方面积累了 一些经验。已在航空、航天、汽车、纺机、模具等领域取得了可观的经济效益。 但由于对这项光整技术宣传不够，很多人至今还不了解，在一些领域里处于空 长春理工大学本科毕业设计 8 白状态。另外，由于该技术在国内应用尚不广泛，经验也不足，工艺上也不成 熟，自动化程度不高，未能达到一定的生产规模，磨粒流加工的优势尚未充分 发挥出来。 北京航空工艺研究所经过几年的探索和研究，现在已取得了可惜的进展。 自行开发的磨粒流介质，性能达到了国际先进水平，可以替代进口产品。 图 1-9 中航工业北京航空制造工程研究所 近年来，Fletcher 等研究了磨料流加工中应用的高分子聚合物的热特性

28、和流 变性，认为介质的流变性对磨料流加工的成败具有重要的作用。Davies 和 Fletcher 研究了几种配料的流变性与其相应加工参数之间的关系，结果表明粘度 和磨料的比例都会影响温度和介质通过工件的压力下降，在磨料加工过程中温 度是影响介质粘度的一个重要因素【16】。Williams 和 Rajurkar 的研究表明，介质 的粘度和挤压力主要决定着表面的粗糙度和材料去除率，表面粗糙度精度的改 善主要发生在磨料介质的前几个挤压往复进程中，并提出了估算动态有效切削 磨粒数目的方法和每个行程中磨粒损伤的计算方法。他们还提出了多孔抛光中 金属出去分布的实验方法与定量分析方法，发现用磨粒流加工一个具

29、有中心孔 和 四个外围孔的工件时，中心孔的金属去除率比外围孔的金属出去率高 30%。Williams 和 Rajurkar 研究探索了磨料流加工过程特性的一些方面和表面 的特性化以及过程建模，研究了工艺输入参数对工艺性能参数的影响，利用 DDS 随机建模与分析技术研究了磨料流加工表面;磨料流加工表面轮廓模型的格 林函数揭示了其特性形状是双指数的叠加。Williams 等还研究提出了基于监控 策略和磨料流加工的声发性特性的磨料流加工声发射在线监控和自适应控制系 长春理工大学本科毕业设计 9 统，但是这些研究工作仅仅考虑了一部分过程参数而忽略了其他一些关键参数。 磨料流加工去除了传统以及特种加工对

30、工件表面的影响，使表面更加均匀一致； 磨料流加工与磨削加工有很多相似之处。 在国内王纯、杨建明和王洁针对传统的磨料流加工在磨料介质流速增大的 情况下容易出现剪切变稀现象从而易失效的不足，研究开发出了磨料流振动抛 光机床和相应的加工技术，从而有利于较大幅度提高抛光效率，并提出了磨料 流加工流动新的边界条件假设，用简易实验验证了这种假设。汤勇等对磨料流 加工存在的壁画滑动现象进行了实验研究，结果表明：磨料平均速度存在着临 界值，在于平均速度时存在壁面滑动现象，同时壁滑速度随磨料平均速度增加 而增大；磨料粘度升高，会使平均速度临界减少，而壁滑速度增加的程度却增 大，存在壁滑是实现磨料流加工的前提条件

31、。 1.41.4 小结小结 本节我们回顾了磨料流加工的形成及其加工特点，研究了其目的和意义以 及国内外发展现状，使我们对其有了一个大致而清晰的了解。 长春理工大学本科毕业设计 10 第第 2 2 章章 FluentFluent 软件软件 2.12.1 GAMBITGAMBIT 软件介绍软件介绍 GAMBIT 是面向 CFD 的几何建模和网格生成软件，是目前 CFD 分析中最 优秀的前置处理器，它包括先进的几何建模和网格划分方法。用户既可以在 GAMBIT 中直接建立点、线、面、体的几何模型，也可以从 PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS 等主流的 CAD/CAE 软件

32、中导 入创建好的实体与网格。GAMBIT 与 CAD 软件的接口和功能强大的布尔运算 能力可使用户方便的建立复杂几何模型。借助其功能灵活、完全集成和易于操 作的界面，GAMBIT 软件可以显著减少 CFD 应用中前置处理的时间。复杂的模 型可直接采用 GAMBIT 固有几何模块生成，或由 CAD/CAE 构型系统导入。高 度自动化的网格生成工具保证其最佳质量的网格生成，如结构化的、非结构化 的、多块的、混合的网格。GAMBIT 可以生产 FLUENT、FIDAP、POLYFLOW 等求解器所需要的网格，它提供的非结构化的网格生成程序，对相对复杂的几 何结构网格生成非常有效。FLUENT 还可根

33、据计算结果调整网格，这种网格的 自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应 和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算 时间。 GAMBIT 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD） 模型和其它科学应用而设计的一个软件，GAMBIT 通过它的用户界面（GUI） 来接受用户的输入。GAMBIT GUI 具有简单而又直接的做出建立模型、网格化 模型、指定模型区域大小等功能。计算机网格根据性质的不同，可以分为结构 化网格、非结构化网格和混合网格。对于二维平面系统模型而言，四边形网格 属于结构网格，而三角形网格则属于非结构网格。三维

34、立体系统模型则较复杂， 有四面体、五面体、六面体和楔形等等立体结构网格。其中，六面立方体或六 面长方体皆属于结构网格，其他则皆属于非结构网格。 因为流动域的几何模型比较复杂，喷油嘴零件的计算网格主要采用非结构 化的三角形、四边形的面网格以及非结构化的四面体、五面体和六面体的体网 格，在靠近壁面的流动区域采用了棱柱型的边界层网格，以便准确地模拟流动 和换热情况。图 2-1 给出了 GAMBIT 中常用的网格类型。 相对四边形的面网格和六面体的体网格而言，在流动域内生成三角形的面 网格和四面体的体网格更容易一些，而且网格数相对也少。但采用四边形面网 格可以允许网格单元的变形更大一些，而三角形、四面

35、体网格单元会因为网格 的变形过大而增加网格的扭曲率，从而影响计算结果的收敛性和准确性。需要 长春理工大学本科毕业设计 11 指出的是如果采用非结构化的三角形、四面体网格模型来求解，需要采用二阶 求解精度。为了提高求解精度，防止数值离散，对于相对简单的几何结构最好 还是采用四边形、六面体网格来划分。而对于复杂的几何结构采用三角形、四 面体网格来划分，此类网格容易生成网格单元并且可以减少网格数，比较适用 于几何结构复杂的喷油嘴喷孔结构。喷油嘴二维及三维网格划分如图 2 -2 所示。 图 2-1 GAMBIT 常用网格类型 当影响网格大小的因素较多，主要有以下几个方面：几何实体的大小是决 定网格尺寸

36、的主要因素；理想的三角形网格是等边的，面网格的尺寸将影响体 网格的大小进而影响边界层的求解；相邻结构的网格尺寸也会影响网格的大小， 若与凹坑处相邻边界面的尺寸较大，那么凹坑处生成的网格只有一个体网格， 这样该处的网格质量就会变差。无论采用何种方式来划分计算网格，网格的类 型、尺度和质量都会直接影响到 CFD 分析结果的准确性和稳定性。 喷油嘴二维网格划分 喷油嘴三维网格划分 图 2-2 喷油嘴模型网格划分 磨粒流加工过程属于复杂的湍流流动，复杂的湍流流动在传输平均动量和 其它标量过程中起着主要作用，如果要实现对湍流流动的正确模拟，那么对靠 长春理工大学本科毕业设计 12 近壁面流动区域划分计算

37、网格是有要求的。由于湍流的平均流动和脉动之间存 在着很强的相互作用，湍流的数值模拟计算结果比层流流动更容易受到网格的 影响。为了保证计算结果的准确，对于靠近壁面区域湍流的求解最好选择在平 均流动变化快而且平均应力较大的边界层所在的区域。在计算网格的处理上， 在流动域靠近壁面部分要采用加附面层的方法，在流体流动区域的表面网格和 内部网格之间再划分出一个特定区域，用以保证壁面附近的湍流计算的准确性。 磨粒流加工过程属于复杂的湍流流动，复杂的湍流流动在传输平均动量和 其它标量过程中起着主要作用，如果要实现对湍流流动的正确模拟，那么对靠 近壁面流动区域划分计算网格是有要求的。由于湍流的平均流动和脉动之

38、间存 在着很强的相互作用，湍流的数值模拟计算结果比层流流动更容易受到网格的 影响。为了保证计算结果的准确，对于靠近壁面区域湍流的求解最好选择在平 均流动变化快而且平均应力较大的边界层所在的区域。在计算网格的处理上， 在流动域靠近壁面部分要采用加附面层的方法，在流体流动区域的表面网格和 内部网格之间再划分出一个特定区域，用以保证壁面附近的湍流计算的准确性。 喷油嘴模型的网格划分如图 2-3、2-4 所示。 图 2-3 喷油嘴二维网格划分 可用 GAMBIT 软件生成混合型四面体网格，在靠近壁面的边界层内生成一层 很薄的三棱柱网格，在流体内部区域生成四面体网格。与在整个流动域全部生 成四面体网格相

39、比，此种方法在靠近壁面流动区域为棱柱型混合网格，可以更 好的模拟流体接近壁面区域的流场的情况，计算结果也更为准确可靠。 图 2-4 喷油嘴三维网格划分 需要指出的是，本章网格划分采用指定网格间距（interval size）模式，支 路网格密度大于干路网格密度。当网格划分成功后，将创建成功的模型导出保 存为*mesh 文件，启动 FLUENT 读取此文件，选择恰当的仿真参数即可进行数 长春理工大学本科毕业设计 13 值分析。 2.22.2 FLUENTFLUENT 软件概述软件概述 FLUENT 是目前处于世界领先地位的商业 CFD 软件包之一，最初由 FLUENT Inc.公司发行。2006

40、 年 2 月 ANSYS Inc.公司收购 FLUENT Inc.公司后 成为全球最大的 CAE 软件公司。FLUENT6.3.26 就是由 ANSYS Inc.公司发布的 新版本，CFD 软件通常都包含 3 个主要功能部分：前处理器、求解器、后处理 器。 FLUENT 是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的 专用软件。FLUENT 提供了灵活的网络热性，可以支持多种网络。用户可以自 由选择使用结构化或者非结构化网络来划分复杂的几何区域，例如针对二维问 题支持三角形网络或者四边形网络；针对三维问题支持四面体.六面体.凌锥.多 面体网络；同时也支持混合网络。用户也可以利用 FL

41、UENT 提供的网络自适应 特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格。 FLUENT 是使用 C 语言开发的，支持并行计算，支持 UNIX 和 WINDOWS 等多平台，采用用户.多服务器的结构，能够在安装不同操作系统的工作站和服 务器之间协同完成同一个任务。FLUENT 通过菜单界面和用户进行交互，用户 可以通过多窗口的方式随时观察计算的进步和计算结果【11】。 FLUENT 软件包主要由 GAMBIT、Tgrid、Fliters、FLUENT 几部分组成。 （1）前处理器。包括 GAMBIT、Tgrid 和 Fliters。其中 GAMBIT 是由 FLUENT Inc.公司自主开发

42、的专用 CFD 前置处理器，用于模拟对象的几何建模 以及网格组成。Tgrid 是一个附加前置处理器，它可以从 GAMBIT 或其他 CAD/CAE 软件包中读入所生成的模拟对象的几何结构，从现有的边界网格开始 生成由三角形、四面体、混合网格组成的体网格。Fliters 实际上就是其他 CAD/CAE 软件包，例如 ANSYS、CGNS 等于 FLUENT 之间的接口，通过接口 可以将由其它 CAD/CAE 软件包所生成的面网格或体网格读入到 FLUENT。 (2)求解器。它是 CFD 软件包的核心，FLUENT 实际上是一个求解器， FLUENT6.3.26 是一个基于非结构化网格的通用求解器

43、，支持并行计算，分单精 度和双精度两种。一旦所生成的网格读入到 FLUENT 中，所有剩下的操作都可 以在 FLUENT 里面完成，其中包括设置边界条件、定义材料性质、执行求解、 根据计算结果优化网格、对计算结果进行后处理等。 (3)后处理器。FLUENT 本身就附带有强大的后处理功能，有云图、等值线 图、矢量图、剖面图、XY 散点图、粒子轨迹图、动画等多种方式显示、存储和 输出计算结果，可以平移、缩放、旋转、镜像图像，也可以将计算结果导出到 其他 CFD、FEM 软件或其他后处理软件中，例如 Tecplor。 长春理工大学本科毕业设计 14 FLUENT 的强大的求解功能使其广泛应用于国防、

44、航空航天、机器制造、 汽车、船泊、兵器、电子、铁道、石油天然气、材料工程等领域。 利用 FLUENT 进行流体流动与传热的模拟的计算流程如图 2-5 所示。首先 利用 GAMBIT 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输 出用于 FLUENT 求解器计算的格式，然后利用 FLUENT 求解器对流动区域进行 求解计算，并进行计算结果的后处理。 图 2-5 基本结构程序示意图 FLUENT 程序的用途 1 采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流 动问题。计算过程中，网络的可以自适应。 2 可压缩与不可压缩流动问题 3 稳态和瞬态流动问题 4 无粘流，层流及

45、湍流问题 5 牛顿流体以及非牛顿流体 6 对流换热问题（包括自然对流和混合对流） 7 导热于对流热耦合问题 8 辐射换热 9 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟 10 多运动坐标系下的流动问题 11 化学组成混合与反应 12 可以处理热量、质量、动量和化学组成的源项 13 用 lagrangian 轨道模型模拟稀疏相 长春理工大学本科毕业设计 15 14 多孔介质流动 15 一维风扇、热交换器性能计算 16 两相流问题 17 复杂表面形状下的自由面流动 2.32.3 小结小结 在进行磨粒流数值分析前，必须首先应对被分析零件进行模型的创建与网 格的划分工作，网格的质量将影响数值分析的精度。

46、利用 CFD 前处理软件 GAMBIT 来进行模型的创建与网格划分工作，这样求解的结果就可以直接导入 FLUENT 软件中进行求解，最后达到对问题进行处理和分析的目的。 长春理工大学本科毕业设计 16 第三章第三章 数学模型和计算方法数学模型和计算方法 3.13.1 数学模型数学模型 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律 为基础，这些定律可以由数学方程组来描述，如欧拉方程、N-S 方程。采用数 值计算方法，通过计算机求解这些控制流体流动的数学方程，进而研究流体的 运动规律，这样的学科就是计算流体力学 CFD。通过数值模拟，我们可以得到 极其复杂的流场内各个位置上的基

47、本物理量，如速度、压力、温度、浓度等物 理量的分布云图，从中可以分析流体的运动规律，在一定程度上可以代替实验 并节约资金。 磨粒流由碳化硅颗粒和流体介质按一定比例混合而成的，文中将流体和颗 粒都看作连续介质，可据连续介质理论的质量守恒和动量守恒定律建立流体相 和颗粒相的数学模型。 3.1.1 控制方程数学模型控制方程数学模型 对于所有的流动性问题，FLUENT 都遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒 方程。 （1）质量守恒方程 （3- () i m i u S tx 1） 该方程是质量守恒的总形式，可以适合可压和不可压流动。源项是稀疏 m S 相增加到连续相中的质量，如液体蒸发变成气体或者质量源项

48、。 对于二维轴对称几何条件，连续方程可以变成： （3- ()() m uvv S txrr 2） 式中，x 是轴向坐标，r 是径向坐标，u 和 v 分别是轴向和径向速度分量。 （2）动量守恒方程 在惯性坐标系下，i 方向的动量守恒方程为： （3- () () ijij i ii jij uu up gF txxc 3） 式中，p 是静压，是应力张量，定义为： ij 长春理工大学本科毕业设计 17 ，是两相之间作用的重力体积力和其他体积力， 2 () 3 j il ijij jil u uu xxx i F 还可以包括其他模型源项或者用户定义源项。 i F （3）能量守恒方程 能量守恒定律又称为

49、热力学第一定律，能量方程可由下式来表达。 （3- 222 222 ()()() () eff pp uTvTTqTTT xyzCCxyz 4） 式中，q 是热源，为比热容，为有效导热系数。 p C eff 3.1.2 流体相数学模型流体相数学模型 磨粒流加工时的流动属于湍流流动，这里选用柱坐标下轴对称物理模型， 采用标准二方程湍流模型建立封闭的数学模型。k 连续性方程： （3- 0 )(1 r yV yx U 5） 轴向动量方程： )( )(1)( 2 2 x U xy UVy yx U )( 1 )()( 1 x V yyx U xx P y U y yy eee （3-6） 径向动量方程： 2 ()1 ()1 () e UVy VV xyyxxy y