納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削霧化噴嘴下游流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究*

賈東洲，李長(zhǎng)河，張彥彬，張東坤，張效偉

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山東 青島266033)

摘要：結(jié)合納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削加工冷卻潤(rùn)滑實(shí)際，針對(duì)霧化噴嘴進(jìn)行下游流場(chǎng)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。利用Fluent平臺(tái)對(duì)連續(xù)相和離散相的軸向速度及在軸向位置上的徑向速度進(jìn)行仿真分析，并探討了不同工況參數(shù)與噴嘴軸向速度的關(guān)系，當(dāng)加入離散相后軸向速度和徑向速度都大幅降低，且噴嘴直徑對(duì)軸向速度的影響最為明顯。進(jìn)一步針對(duì)六種工況參數(shù)和霧化后液滴粒徑的關(guān)系進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明工況參數(shù)與液滴粒徑間的關(guān)系為非線(xiàn)性關(guān)系。利用高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行霧滴粒徑和速度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所獲得液滴粒徑略大于仿真粒徑，液滴做變加速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)且加速度值較大。

關(guān)鍵詞：納米粒子；微量潤(rùn)滑磨削；流場(chǎng)仿真

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0005-05

收稿日期：2014-12-17

基金項(xiàng)目：*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175276)；青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(14-2-4-18-jch)；黃島區(qū)應(yīng)用研究科技項(xiàng)目(2014-1-55)

作者簡(jiǎn)介：賈東洲(1987—)，男，黑龍江黑河人，青島理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榍邢髂ハ骷庸だ碚撆c技術(shù)，(E-mail)jia_dongzhou@163.com；通訊作者：李長(zhǎng)河(1966—)，男，內(nèi)蒙古通遼人，青島理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)榍邢髂ハ骷庸だ碚撆c技術(shù)的研究，(E-mail)sy_lichanghe@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166;TG580

Numerical Simulation and Experimental Research about Downstream Flow Field of

Atomizing Nozzle in Nanoparticle Jet MQL Grinding

JIA Dong-zhou, LI Chang-he, ZHANG Yan-bin, ZHANG Dong-kun,ZHANG Xiao-wei

(College of Mechanical Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266033, China)

Abstract：Together with the present situation of cooling and lubrication in grinding, numerical simulation and experimental research were conducted for the downstream flow field, based on the spray nozzle. The Fluent software platform was used for acquired the axial velocity of continuous phase and discrete phase, and the radial velocity in a fixed axial position. The relationship of different jet parameters and nozzle axial velocity was discussed. The axial velocity and radial velocity were greatly reduced when join the discrete phase, and the nozzle diameter has most obvious on the influence of the axial velocity. The relationship of six operating conditions and atomization droplet size was studied; the simulation results showed that was not linear relationship between six operating conditions and droplet size. High speed camera system was used for studied the droplets size and velocity, experimental value was greater than the simulation value of droplets size, the droplets did curve movement with Variable speed with a big acceleration value.

Key words： nano particle; MQL grinding; flow field simulation

0引言

基于澆注式磨削對(duì)環(huán)境和工人健康危害大，生產(chǎn)成本高，干式磨削應(yīng)用范圍小，低溫冷卻潤(rùn)滑成本高的背景下，Hewson和Gerow[3]于1996年最先提出了微量潤(rùn)滑(Minimum Quantity Lubricant，MQL)技術(shù)；所謂微量潤(rùn)滑是指在壓縮空氣中混入微量的潤(rùn)滑基油，依靠高壓氣流(0.4~0.65MPa)混合霧化后進(jìn)入高溫磨削區(qū)[4]。進(jìn)入到磨削區(qū)的高速氣流雖然在一定程度上增加了對(duì)流換熱能力，但其冷卻效果并不能達(dá)到預(yù)期值，因此僅依靠壓縮空氣并不能對(duì)磨削區(qū)進(jìn)行充分冷卻；這便會(huì)造成熱量在工件表面堆積，促使磨削區(qū)工況不斷惡化，最終會(huì)導(dǎo)致工件表面質(zhì)量的下降，同時(shí)也會(huì)大大降低砂輪使用壽命，甚至導(dǎo)致砂輪失效報(bào)廢[5]。

基于強(qiáng)化換熱理論，學(xué)者們[6]提出了納米粒子射流微量潤(rùn)滑，所謂納米粒子射流微量潤(rùn)滑，就是將一定量的納米粒子添加到微量潤(rùn)滑基油中，經(jīng)超聲波振蕩制備成納米流體，再利用壓縮空氣將納米流體霧化，并攜帶其進(jìn)入到磨削區(qū)[7]。壓縮空氣主要起到冷卻、清洗及輸送流體的作用；微量潤(rùn)滑基油主要起潤(rùn)滑的作用；同時(shí)納米粒子大大增加了磨削區(qū)內(nèi)流體的換熱能力，有效提高了磨削區(qū)的冷卻效果；同時(shí)研究表明，納米粒子的抗磨減摩特性良好，且能承受較高載荷，因而，納米粒子可以進(jìn)一步提高磨削區(qū)的潤(rùn)滑效果[8]。

基于納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削加工冷卻潤(rùn)滑工況，需要應(yīng)用到霧化噴嘴，本文采用Fluent平臺(tái)對(duì)霧化噴嘴下游流場(chǎng)(即噴嘴出口處至射流遠(yuǎn)端)的特性進(jìn)行模擬，分析噴嘴參數(shù)對(duì)霧化效果的影響規(guī)律，指導(dǎo)噴嘴的設(shè)計(jì)和推動(dòng)噴霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用。并利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)噴嘴出口處的液滴粒徑分布和液滴速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1仿真分析

1.1下游流場(chǎng)建模

在兩相流理論模型的基礎(chǔ)上[9-10]，利用Gambit進(jìn)行磨削區(qū)下游流場(chǎng)幾何模型的建立，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于研究區(qū)域?yàn)閷?duì)稱(chēng)模型，因此建模時(shí)可建立一個(gè)半圓柱模型，直徑50mm長(zhǎng)度160mm；噴嘴附近的位置在劃分網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行加密處理，并對(duì)幾何模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格模型

如圖1所示，噴嘴入口設(shè)置為壓力入口(0.3~0.7MPa)，圓柱體的外表面設(shè)置為壓力出口(0MPa)，噴嘴的外表面設(shè)置為壁面(wall)，同時(shí)設(shè)定對(duì)稱(chēng)面。

1.2連續(xù)相流場(chǎng)分析

當(dāng)噴嘴直徑為1mm，空氣壓力為0.4MPa時(shí)，對(duì)連續(xù)相進(jìn)行數(shù)值模擬，軸向速度變化情況如圖2所示，在噴嘴出口處連續(xù)相存在速度提升的現(xiàn)象，這是由于連續(xù)相氣流從噴嘴噴出后出現(xiàn)氣體膨脹加速導(dǎo)致的，連續(xù)相氣流的速度經(jīng)短暫提升后，會(huì)在外界空氣的阻力的作用下快速的降低，最終在噴嘴遠(yuǎn)端趨于穩(wěn)定值。

圖2　連續(xù)相軸向速度

圖3　連續(xù)相在不同軸向位置處的徑向速度

沿噴嘴軸向分別取0mm、50mm、100mm和150mm處對(duì)連續(xù)相的徑向速度進(jìn)行分析，其變化趨勢(shì)如圖3所示，隨著軸向距離的增加，連續(xù)相速度衰減十分明顯，在同一軸向距離上，越遠(yuǎn)離軸心的位置速度越低，受外界空氣阻力的作用最終速度趨近于0m/s；在0mm、50mm和100mm的位置上，徑向距離一定的位置出現(xiàn)了負(fù)值，這是卷吸作用導(dǎo)致的，隨著遠(yuǎn)離噴嘴出口位置負(fù)值也不斷降低，即卷吸作用減弱，當(dāng)達(dá)到150mm時(shí)卷吸作用幾乎消失。

1.3離散相流場(chǎng)分析

在連續(xù)相中加入離散相后，連續(xù)相與離散相液滴發(fā)生相互作用，這也必將會(huì)影響到射流的軸向速度和徑向速度，在離散相流量率為0.005kg/s的情況下，進(jìn)一步對(duì)射流的軸向速度和各位置徑向速度進(jìn)行分析，其速度變化趨勢(shì)如圖4和圖5所示。

對(duì)比圖2、圖3和圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，加入離散相后射流沿軸向速度趨勢(shì)基本相同，但速度值發(fā)生了大幅度降低；射流在0mm、50mm、100mm和150mm各軸向位置處也與連續(xù)相速度趨勢(shì)相同，由于連續(xù)相和離散相的能量交換導(dǎo)致了速度值的降低，進(jìn)而導(dǎo)致了卷吸速度的減弱。

圖4　離散相軸向速度

圖5　離散相在不同軸向位置處的徑向速度

1.4工況參數(shù)對(duì)下游流場(chǎng)軸向速度的影響

霧化噴嘴下游流場(chǎng)軸向速度與噴嘴直徑、液體流量率、壓縮空氣壓強(qiáng)和氣液比等工況參數(shù)密切相關(guān)，基于這種考慮現(xiàn)給出如表1所述的工況參數(shù)進(jìn)行討論。

表1　下游流場(chǎng)速度分析主要工況參數(shù)

當(dāng)其它工況參數(shù)不變僅增大壓縮空氣的壓強(qiáng)時(shí)，噴嘴出口處的速度增大；同樣當(dāng)僅增大噴嘴直徑時(shí)，由于壓強(qiáng)不變出口截面積變大，噴嘴出口處的速度降低；當(dāng)僅增大液體流量率時(shí)，由于離散相數(shù)目的增加，離散相與壓縮空氣相互作用會(huì)消耗更多的壓縮空氣能量，從而兩相流的速度降低；當(dāng)僅增加氣液比時(shí)壓縮空氣流量增加，從而兩相流速度升高。

為了進(jìn)一步探討隨噴嘴軸向距離增加，各工況參數(shù)對(duì)兩相流速度的影響，沿噴嘴軸向?qū)上嗔鞯乃俣冗M(jìn)行研究。

采用單一變量法，當(dāng)某一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)其它參數(shù)取表1中的第三組數(shù)據(jù)值，經(jīng)仿真得到各工況參數(shù)對(duì)噴嘴下游流場(chǎng)的影響如圖6~圖9所示。

圖6　五種空氣壓強(qiáng)下射流速度隨軸向位置的變化曲線(xiàn)

從圖6中可以看出，當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)噴嘴出口速度增大；當(dāng)軸向距離達(dá)到0.06m后，除壓強(qiáng)為0.3MPa的情況外，其它壓強(qiáng)條件下的速度相差不大。

圖7　五種噴嘴直徑下射流速度隨軸向位置的變化曲線(xiàn)

從圖7中可以看出，隨著噴嘴直徑的降低射流速度增大，當(dāng)軸向距離增大時(shí)，射流速度的差異不斷減小但依舊明顯。

圖8　五種氣液比下射流速度隨軸向位置的變化曲線(xiàn)

從圖8中可以看出，隨著氣液比的減小離散相的含量不斷增加，導(dǎo)致了壓縮空氣能量交換加劇，從而使射流速度降低，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸線(xiàn)距離增大到0.067m左右后，氣液比對(duì)射流速度的影響并不大。

圖9　五種液體流量率下射流速度隨軸向位置的變化曲線(xiàn)

從圖9中可以看出，隨著液體流量率的增大離散相含量不斷增加，導(dǎo)致了壓縮空氣能量交換加劇，從而使射流速度降低，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸線(xiàn)距離增大到0.09m左右后，液體流量率對(duì)射流速度的影響并不大。

1.5工況參數(shù)對(duì)下液滴粒徑分布的影響

液體經(jīng)噴嘴霧化生成的液滴粒徑是不均勻的；一般使用平均粒徑來(lái)表達(dá)微粒霧化程度，本文對(duì)于平均粒徑的表達(dá)，采用索太爾平均直徑(SMD)[11]。

假定噴霧由具有同一直徑(索太爾直徑SMD)的液滴微粒組成，同時(shí)要求液滴微粒的總表面積和總體積都與實(shí)際噴射的油霧相同，即：

(1)

(2)

(3)

上式中，N為噴霧液滴微?？倲?shù)，Ni為直徑為di微粒的數(shù)目。根據(jù)定義可知：

(4)

在噴嘴直徑為1mm，壓縮空氣的壓力為0.4MPa，液體流量率為0.005kg/s的情況下，對(duì)液滴的粒徑分布情況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明液滴粒徑呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)，大多數(shù)液滴粒徑集中在70μm~220μm之間，粒徑小于70μm和大于220μm的液滴數(shù)量較少。

噴射形成的液滴的粒徑，與工況參數(shù)存在關(guān)系。為了分析各工況參數(shù)對(duì)液滴索太爾直徑SMD的影響，采用單一變量法對(duì)液滴的粒徑進(jìn)行采集，當(dāng)一種工況參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其它工況參數(shù)相應(yīng)的取表1中第三組的數(shù)據(jù)值，結(jié)果如圖10所示。

圖10　六種工況參數(shù)對(duì)液滴平均直徑的影響

如圖10a所示，噴嘴直徑對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出噴嘴直徑與液滴粒徑呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性關(guān)系，隨著噴嘴直徑的增大，液滴粒徑也不斷增大；

如圖10b所示，壓縮空氣壓強(qiáng)對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出隨壓強(qiáng)增大液滴粒徑減小，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到0.5MPa后液滴粒徑又出現(xiàn)增大；

如圖10c所示，液體流量率對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出液滴粒徑起初隨著流量率的增大而增大，當(dāng)流量率0.003kg/s后液滴粒徑隨著流量率增大而減小，當(dāng)流量率達(dá)到0.007kg/s后液滴粒徑隨著流量率的增大而增大；

如圖10d所示，氣液比對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出氣液比與液滴粒徑呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性關(guān)系，隨著氣液比的增大，液滴粒徑也不斷減小，且減小趨勢(shì)平緩；

如圖10e所示，液膜厚度對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出液膜厚度與液滴粒徑呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性關(guān)系，隨著液膜厚度的增大，液滴粒徑也不斷增大，且增大趨勢(shì)越加明顯；

如圖10f所示，相對(duì)速度對(duì)霧化液滴粒徑的影響，可以看出隨相對(duì)速度增大液滴粒徑開(kāi)始不斷減小，當(dāng)相對(duì)速度達(dá)到200m/s后液滴粒徑出現(xiàn)最小值，之后液滴粒徑隨著相對(duì)速度的增大出現(xiàn)增大，且增大幅度較小。

2霧化噴嘴實(shí)驗(yàn)分析

2.1工況參數(shù)對(duì)下游流場(chǎng)軸向速度的影響

實(shí)驗(yàn)中的微量潤(rùn)滑裝置采用富士公司生產(chǎn)的Bluebe微量潤(rùn)滑系統(tǒng)。高速攝像機(jī)采用OLYMPUS公司生產(chǎn)的i-speed TR型高速攝像機(jī)，以及邁特公司的MZDH0850C顯微鏡，如圖11所示。

1.反光板 2.微量潤(rùn)滑噴嘴 3.高速攝像機(jī) 4.高速攝像機(jī)控制面板 5.激光光源 6.顯微鏡

圖11高速攝像實(shí)驗(yàn)裝置

2.2實(shí)驗(yàn)方案

在進(jìn)行噴嘴出口處的液滴直徑和速度測(cè)量時(shí)，首先調(diào)整好噴嘴位置，在噴嘴后方的i-speed TR型高速攝像機(jī)的攝像區(qū)域放置反光板，在i-speed TR型高速攝像機(jī)前端安裝MZDH0850C顯微鏡，同時(shí)利用激光光源(白光)作為其同軸光源，分別在壓強(qiáng)為0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa及0.7MPa的工況下，測(cè)量噴嘴出口處的液滴直徑和速度。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在一次高速攝像過(guò)程中所拍攝的兩千張照片中，隨機(jī)抽取100張照片，針對(duì)每張照片中所有的液滴取最大徑像素點(diǎn)坐標(biāo)，再根據(jù)像素點(diǎn)坐標(biāo)值求得每個(gè)液滴的像素直徑。實(shí)驗(yàn)中顯微鏡選用0.7倍率，則有：

(5)

根據(jù)公式(5)可以求得液滴的真實(shí)直徑，采用相同的處理方法，對(duì)隨機(jī)抽取的100張照片上的所有液滴粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終求取壓縮空氣壓強(qiáng)為0.4MPa時(shí)，液滴粒徑算數(shù)平均值為171.82μm。

分別選取0.3、0.5、0.6和0.7MPa進(jìn)行噴射，并依據(jù)上述測(cè)量方法對(duì)液滴的直徑進(jìn)行測(cè)量，并求得算數(shù)平均值，與仿真值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖12　壓縮空氣壓強(qiáng)對(duì)液滴粒徑的影響

從圖12中可以看出，當(dāng)壓縮空氣壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，仿真與實(shí)驗(yàn)中液滴粒徑的變化規(guī)律相同，但實(shí)驗(yàn)值高于仿真值；這是由于仿真求得的液滴粒徑平均值是整個(gè)霧化區(qū)域的粒徑均值，而實(shí)驗(yàn)求得的液滴粒徑均值是噴嘴出口處的液滴粒徑，當(dāng)在噴嘴出口處形成液滴后，隨著液滴的運(yùn)動(dòng)與氣流發(fā)生交互作用會(huì)進(jìn)一步霧化成更小的液滴，因此實(shí)驗(yàn)值高于仿真值。

由于在高速攝像機(jī)前端夾裝顯微鏡后所能拍攝到的區(qū)域非常小，因此對(duì)于液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡的撲捉也變得十分困難，對(duì)于噴嘴軸線(xiàn)附近處形成的液滴由于其速度高很快就會(huì)運(yùn)動(dòng)到拍攝區(qū)域之外，即使高速攝像機(jī)也很難撲捉到連續(xù)圖像，因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)與軸線(xiàn)位置有一定徑向距離的液滴進(jìn)行速度分析。

量取所選照片上各液滴中心的像素坐標(biāo)值，計(jì)算出兩個(gè)位置間的像素距離，在對(duì)液滴速度計(jì)算時(shí)將液滴的每?jī)晌恢弥g的運(yùn)動(dòng)近似為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。再根據(jù)式(5)可以求得標(biāo)定液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離，由于每張照片的時(shí)間間隔為0.0002s，因此可以求得標(biāo)定液滴在運(yùn)動(dòng)中的平均速度；進(jìn)而可以求得在標(biāo)定液滴加速過(guò)程中的加速度值。

從上述對(duì)標(biāo)定液滴的速度和加速度計(jì)算可以看出，在液滴從液柱上脫離后，與高速運(yùn)動(dòng)的壓縮空氣進(jìn)行能量交換，進(jìn)而出現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。但根據(jù)得到的加速度值可以看出液滴做變加速運(yùn)動(dòng)，這是由于液滴與擾動(dòng)氣流相互作用的結(jié)果。液滴的加速度值較高可以推斷液滴可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到仿真期望速度。

3結(jié)論

(1) 對(duì)連續(xù)相流場(chǎng)和離散相流場(chǎng)的軸向速度、不同軸向位置處的徑向速度進(jìn)行分析，研究了工況參數(shù)對(duì)下游流場(chǎng)軸向速度的影響、工況參數(shù)對(duì)液滴粒徑分布的影響、霧化液滴位置分布與霧化錐角特性。結(jié)果表明：射流速度峰值隨著壓縮空氣壓強(qiáng)和氣液比的增大而增大，隨著噴嘴直徑和液體流量率增大而減?。簧淞鬏S向速度在近噴嘴處的變化趨勢(shì)與峰值速度變化趨勢(shì)相同，但在噴嘴遠(yuǎn)端，除噴嘴直徑外其它工況參數(shù)對(duì)射流速度影響不大。各工況參數(shù)對(duì)液滴粒徑均存在一定影響。

(2)利用i-speed TR型高速攝像機(jī)和MZDH0850C顯微鏡，對(duì)液滴的粒徑和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)壓縮空氣壓強(qiáng)為0.4MPa時(shí)，液滴粒徑算數(shù)平均值為171.82μm，這一數(shù)值高于仿真值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)液滴做變加速運(yùn)動(dòng)，且加速度量級(jí)較大。

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(編輯李秀敏)