任仲偉, 劉婭菲,徐夢妍,宋鵬飛

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中航工業(yè)貴州紅林機(jī)械有限公司，貴州 貴陽 550009) *

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基于FLUENT的盤狀刀具冷卻用扇形噴嘴流場仿真

任仲偉1, 劉婭菲2,徐夢妍1,宋鵬飛1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.中航工業(yè)貴州紅林機(jī)械有限公司，貴州 貴陽 550009)*

建立扇形噴嘴的SOLIDWORKS模型，利用FLUENT軟件對扇形噴嘴的噴射特性進(jìn)行了仿真分析.通過改變扇形噴嘴噴射過程中的某些參數(shù)，研究了噴嘴流量、運(yùn)行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規(guī)律.仿真結(jié)果表明:相同的參數(shù)下，運(yùn)行壓力越大，則扇形噴嘴的噴口射流速度越大，扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散先增大然后減小；液體表面張力越大，扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散越小，但是液體表面張力對扇形噴嘴的噴口射流速度的影響可忽略.

FLUENT；噴嘴；刀具冷卻；流場仿真

0 引言

噴嘴廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、化工、造紙等行業(yè).本文主要研究在金屬切削加工中所用到的刀具冷卻系統(tǒng)，這一冷卻系統(tǒng)的作用是將刀具切削加工過程中所產(chǎn)生的熱量帶走，可顯著降低切削區(qū)溫度，提高刀具耐磨性，延長刀具使用壽命，改善加工表面質(zhì)量，并同時(shí)對刀具起潤滑作用.刀具冷卻系統(tǒng)直接關(guān)系到刀具加工過程中工件的加工精度和刀具的使用壽命[1].

與其他清洗類噴嘴相比，扇形噴嘴有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以形成均勻的扁平帶狀噴霧射流，且射流的致密性好，能夠覆蓋較大的噴射范圍[2]，其工藝應(yīng)用依據(jù)黏度、流量、溫度、流速、射流角及覆蓋范圍的不同而不同[3].通過部分交叉重疊，可以實(shí)現(xiàn)對噴射工件的均勻覆蓋[4-5].本文通過SOLIDWORKS建立扇形噴嘴的三維模型，利用FLUENT軟件對扇形噴嘴的噴射特性進(jìn)行仿真分析.通過改變扇形噴嘴噴射過程中的某些參數(shù)，研究噴嘴流量、運(yùn)行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規(guī)律.

1 模型建立

1.1 控制方程

實(shí)際流場中，由于氣液兩相間不存在化學(xué)反應(yīng)和物理相變，因此不考慮相間的熱交換.本文著重分析與研究在非淹沒射流條件下扇形噴嘴的流動(dòng)過程，因此首先從粘性運(yùn)動(dòng)的基本方程出發(fā)得出紊流射流的基本方程[6].

流動(dòng)按照不可壓縮處理，其連續(xù)性方程在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

(1) 對于不可壓縮黏性流體的N-S方程，在空間直角坐標(biāo)系中的表達(dá)式為

因射流場處于湍流狀態(tài)，故采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型.標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型的湍動(dòng)能k和耗散率ε方程如下：

(3)

(4)

式中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM是可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總耗散率的影響.根據(jù)Launder等的推薦值及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型常數(shù)取值如下：C1e=1.44，C2e=1.92，σk=1.0，σε=1.3[7].

1.2 物理模型

考慮到計(jì)算區(qū)域的形狀比較復(fù)雜，在使用gambit劃分網(wǎng)格時(shí)，主要采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的Hex/Wedge網(wǎng)格.使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是因?yàn)樗梢韵Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，因此能較好地處理邊界.本文建模所用噴嘴噴射流場的網(wǎng)格局部放大圖，如圖1所示.

圖1 扇形噴嘴噴射內(nèi)外部流場計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

由于射流工作介質(zhì)(切削液和水混合的液體)與環(huán)境介質(zhì)(大氣)之間劇烈的動(dòng)量交換與紊動(dòng)擴(kuò)散，使非淹沒水射流亦被稱為氣液兩相混合介質(zhì)射流[7].因此本文采用Mixture兩相流混合模型.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)行壓力對噴射性能的影響

圖2反映出，噴嘴噴出的氣霧呈帶狀，并且距離噴嘴由近到遠(yuǎn)速度越來越小，由中心向兩側(cè)速度越來越小，這是扇形噴嘴在外部流場的典型特征.由圖2可見，流體在進(jìn)入噴嘴內(nèi)部后速度不斷增加，基本在噴口處速度達(dá)到最大；當(dāng)流體噴射到外部環(huán)境即空氣介質(zhì)后，流體速度開始呈下降趨勢，但是射流束速度始終在軸線上保持最大，距離軸線愈遠(yuǎn)，速度就愈小.在噴射距離較近的地方，射流速度分布比較集中.在軸線附近有一個(gè)明顯的射流核心區(qū)域，在核心區(qū)域之外，射流軸向速度迅速下降.隨著噴射距離增加，射流速度減小，射流核邊界越來越不明顯.

(a)x-y截面上速度云圖

(b)不同靶距處速度分布云圖

圖3直觀地給出了液體的運(yùn)行壓力P分別為P1=0.2 MPa、P2=0.3 MPa、P3=0.4 MPa三種情況時(shí)，扇形噴嘴內(nèi)外部流場在軸線上速度變化情況.當(dāng)入口速度相同時(shí)，流體經(jīng)過各噴嘴內(nèi)部后速度迅速增加，并在噴口處達(dá)到最大值；當(dāng)流體離開噴嘴進(jìn)入外部環(huán)境后，射流束速度便沿軸線逐漸降低.其中運(yùn)行壓力為P3的噴嘴的射流速度最大,運(yùn)行壓力為P1的噴嘴的射流速度最小.可以看出，在其它參數(shù)不變的情況下，液體運(yùn)行壓力增加，噴嘴的噴口射流速度增加，射流束速度也增加.

圖3 P1、P2、P3噴嘴內(nèi)外部流場軸線上速度變化曲線

圖4 給出了P1、P2、P3噴嘴射流在100mm靶距處z=0截線上流體軸向射流速度的分布情況.可以看出，P3噴嘴在100 mm靶距處中心射流速度最大，其射流束沿x方向擴(kuò)散也最大.P1噴嘴中心射流速度最小，其射流束沿x方向擴(kuò)散也最小.這說明液體運(yùn)行壓力對扇形噴嘴扁平方向射流擴(kuò)散有影響，在其它參數(shù)相同的情況下，隨著運(yùn)行壓力增加，其噴嘴的噴口射流速度增加，但是扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散先增加然后減小.

圖4 100 mm靶距處z=0截線上P1、P2、P3噴嘴射流速度分布情況

2.2 液體表面張力對噴射性能的影響

圖5 給出了液體表面張力F分別為F1=72.0×10-3、F2=71.0×10-3、F3=70.0×10-3三種情況時(shí)，扇形噴嘴內(nèi)外部流場在軸線上速度的變化情況.由圖可見，當(dāng)其它參數(shù)相同時(shí)，液體表面張力對扇形噴嘴的噴口射流速度的影響可忽略.

圖5 F1、F2、F3噴嘴內(nèi)外部流場軸線上速度變化曲線

由圖6可以看出，當(dāng)其它參數(shù)相同的情況下，液體表面張力愈大，扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散愈小.

圖6 100 mm靶距處z=0截線上F1、F2、F3噴嘴射流速度分布情況

3 結(jié)論

本文以對盤狀刀具冷卻用扇形噴嘴為研究對象，利用SOLIDWORKS軟件建立了扇形噴嘴的物理模型，并對其進(jìn)行了工作情況下的流場模擬仿真.通過改變扇形噴嘴在噴射過程中的一些參數(shù)，研究了液體黏度、噴嘴流量、運(yùn)行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規(guī)律.仿真結(jié)果表明，當(dāng)其它參數(shù)相同的情況下，隨著運(yùn)行壓力增加，扇形噴嘴的噴口射流速度增加，扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散先增加然后減小；液體表面張力越大，扇形噴嘴射流束沿扁平方向擴(kuò)散越小，但是液體表面張力對扇形噴嘴的噴口射流速度的影響可忽略.

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[7] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Simulation of Flow Field of Fan Nozzle Jet Used in Disc Tool Cooling with FLUENT

REN Zhongwei1, LIU Yafei2, XU Mengyan1, SONG Pengfei1

(1.College of Mechnical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. AVIC Guizhou Honglin Machinery Co.,Ltd, Guiyang 550009, China)

A solidworks model of fan nozzle was established firstly, and the injection characteristics of nozzle were simulated by FLUENT analysis. Influence law of the injection characteristics of the fan nozzle was studied by changing some parameters of fan nozzle spray in the process, such as liquid viscosity, nozzle flow, operating pressure and surface tension. The simulation results show that the jet velocity of fan nozzle is higher when the operating pressure is higher, and the jet diffusion of fan nozzle along a flat direction increases firstly and then decreases. The jet diffusion of the fan nozzle is smaller along a flat direction when the liquid surface tension is higher, but the influence of liquid surface tension to the jet velocity of the fan nozzle outlet can be neglected.

FLUENT; nozzle ; tool cooling ; flow field simulation

1673- 9590(2016)06- 0056- 04

2016-04-28

任仲偉(1979-)，男，講師，博士研究生，主要從事數(shù)控技術(shù)方面的研究

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E- mail:rzw9811210@163.com.