摘 要：以華中世紀(jì)星21M為例，介紹刀具半徑補(bǔ)償在數(shù)控銑削加工中的類型及作用，分析刀具半徑補(bǔ)償未設(shè)定及設(shè)定兩種情況的加工方法，以及對(duì)加工精度控制的影響。

關(guān)鍵詞：多相流；刀具半徑補(bǔ)償設(shè)定；加工精度的控制

目前CFD模型已有了很大的改善，計(jì)算速度也有了明顯的提高，這使得CFD可以幫助人們對(duì)復(fù)雜的流體流動(dòng)特性進(jìn)行模擬或提供全流場(chǎng)的詳細(xì)信息，對(duì)體系中的流場(chǎng)進(jìn)行定量的分析。

1 多相流

1.1 多相流的研究背景

在很多工程應(yīng)用中會(huì)經(jīng)常遇到多相流流動(dòng)現(xiàn)象，Crowe等人對(duì)流場(chǎng)中顆粒粒子之間的碰撞與粘結(jié)等關(guān)系進(jìn)行了研究，但是其作用復(fù)雜難以描述，影響因素多，模型建立相當(dāng)困難。最近，Morsi等人嘗試對(duì)粒子貼近彎曲壁面邊界的流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)描述，對(duì)粒子-壁面接觸與相互作用行為等一系列問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。對(duì)于目前來(lái)說(shuō)模型的實(shí)際應(yīng)用中存在著不確定的魯棒性，當(dāng)大質(zhì)量流量粒子流動(dòng)發(fā)生相變時(shí)，將用到雙流體模型。此時(shí)，兩相都被處理成具有不同速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的連續(xù)流。最近，Kolev以及Ishii和Hibiki對(duì)應(yīng)用于氣-液流動(dòng)的雙流體模型的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述。由于過(guò)冷沸騰多相流動(dòng)問(wèn)題存在相變，因此其建模和模擬存在著巨大的挑戰(zhàn)。在氣泡與流體的模型處理方面，基于大量的實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)脫離受熱壁面的氣泡由于合并、剪切形成大大小小的氣泡或由于凝結(jié)而消失在大量過(guò)冷流體流動(dòng)中。

1.2 多相流的研究方法

通過(guò)在雙流體模型中引入總體平衡方法形成積分部分來(lái)處理氣泡的聚并和破裂行為，確定彌散相中氣泡的尺寸。對(duì)這種特殊類型的多相流動(dòng)，人們進(jìn)行了很多研究，可以參看Yeoh和Tu對(duì)模型的最新發(fā)展。增加壁面模型和氣泡機(jī)理模型以及邊界條件。最后，提及另一個(gè)經(jīng)典多相流流動(dòng)，即自由表面流動(dòng)。在自由表面的處理問(wèn)題的研究，總結(jié)了兩種解決方案，一界面跟蹤法，二界面捕捉法。這兩種同浸入邊界方法等有相似之處，對(duì)固定網(wǎng)格也要進(jìn)行計(jì)算。在確定流體模型中自由面的形狀問(wèn)題的研究中，Hirt和Nichols等人率先應(yīng)用VOF方法對(duì)液含率的附加傳遞方程進(jìn)行求解，這種方法研究的問(wèn)題是對(duì)方程中對(duì)流項(xiàng)的離散過(guò)程。與可壓縮流動(dòng)中的激波一樣，抹平效應(yīng)降低了數(shù)值模擬的效果，因此傾向于選用高階的求解格式。對(duì)于變化更劇烈的界面，基于level-set方法的界面捕捉方法是一種選擇。此處，流體的特性被硬性規(guī)定為階梯形變化。然而，當(dāng)捕捉黏性流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，需要引入穿過(guò)界面的任意有限厚度區(qū)，以確保流體物性迅速變化時(shí)的連續(xù)光滑。

2 湍動(dòng)模型

2.1 何謂湍流

自然界中的幾乎所有的流體現(xiàn)象都是湍流流動(dòng)，現(xiàn)在流體工程研究者為了了解設(shè)計(jì)需要，也加大對(duì)湍流的了解。湍流流動(dòng)流體表面不平整，或者回流被放大都會(huì)產(chǎn)生湍流。當(dāng)慣性力大時(shí)，雷諾數(shù)大，擾動(dòng)產(chǎn)生，流體便從穩(wěn)定的層流狀態(tài)變?yōu)橥牧?。通過(guò)速度的時(shí)間函數(shù)，可以確定湍流的流體中某一點(diǎn)的速度，但是由于湍流流體的隨機(jī)不確定性，改數(shù)學(xué)模型或方程不能計(jì)算流體的運(yùn)動(dòng)。想要分析湍流特性，可以用流體中的參數(shù)的平均值的特性來(lái)統(tǒng)計(jì)其波動(dòng)特性。

2.2 湍流建模方法

對(duì)于絕大多數(shù)工程問(wèn)題，湍流流場(chǎng)的時(shí)均值對(duì)湍流流動(dòng)特性的定量化描述已經(jīng)足夠。標(biāo)準(zhǔn)模型就是在CFD中應(yīng)用較多的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，然而，由于該模型不能完全描述流線彎曲對(duì)湍流的細(xì)微影響，因而應(yīng)用受到了一定的限制，特別是對(duì)大量、快速及高應(yīng)變等流動(dòng)問(wèn)題更是如此。標(biāo)準(zhǔn)模型使用了渦黏系數(shù)的概念，假設(shè)湍流應(yīng)力與湍流應(yīng)變成比例，比例系數(shù)為湍流黏度，而且主應(yīng)變方向與主應(yīng)力方向一致，也就是各向同性。由于缺少對(duì)法向應(yīng)力的處理，因此無(wú)法正確預(yù)測(cè)90°彎管內(nèi)由各向異性法向雷諾應(yīng)力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的二次流。

Reynolds應(yīng)力模型需要求解6個(gè)附加方程并求解應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)。在湍流耗散方面，我們還需求解其長(zhǎng)度。應(yīng)用類似的方法，通過(guò)直接求解3個(gè)附加方程就可以確定湍流熱流量，每一個(gè)方程描述每一通量分量，從而消去湍流普朗特?cái)?shù)。Reynolds應(yīng)力模型在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)同時(shí)存在，優(yōu)點(diǎn)方面：一是該方程在描述湍流流動(dòng)的現(xiàn)象比兩方程模型更為準(zhǔn)確；二是該方程在理論上可以處理更多復(fù)雜的情況，解決其他方程不能解決的問(wèn)題。但是其缺點(diǎn)在于控制方程多會(huì)導(dǎo)致求解過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)、計(jì)算量大。

3 湍流模型選擇

在CFD中，不同湍流需要應(yīng)用不同的湍流模型。在開(kāi)始作湍流分析時(shí)，由于缺乏足夠的知識(shí)選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，因此特別推薦使用兩方程模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。因?yàn)檫@一模型不依賴于幾何形狀以及來(lái)流的流動(dòng)形式，因而提供了最簡(jiǎn)單的模型使控制方程封閉。之所以首選標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，是因?yàn)槠溆?jì)算的魯棒性和穩(wěn)定性，而且在一些應(yīng)用中，與其他復(fù)雜的湍流模型一樣能夠獲得良好的計(jì)算結(jié)果。大多數(shù)自編或商業(yè)軟件都將標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型設(shè)置為處理湍流問(wèn)題的默認(rèn)選擇。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型有其自身的弱點(diǎn)。因此，有必要把與此模型相關(guān)的弱點(diǎn)一一列出，以減弱這些缺點(diǎn)的影響，改進(jìn)數(shù)值模擬效果。對(duì)于特定求解的CFD問(wèn)題，仔細(xì)進(jìn)行模型驗(yàn)證和確認(rèn)是充分證明湍流模型適用性的必要步驟。

[參考文獻(xiàn)]

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作者簡(jiǎn)介：曾珍（1986-），女，江西吉安人，技師，從事數(shù)控技術(shù)教研工作。