基于FLUENT的盤狀刀具冷卻用扇形噴嘴流場仿真

任仲偉, 劉婭菲,徐夢妍,宋鵬飛

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中航工業貴州紅林機械有限公司，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.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.中航工業貴州紅林機械有限公司，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行了仿真分析.通過改變扇形噴嘴噴射過程中的某些參數，研究了噴嘴流量、運行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規律.仿真結果表明:相同的參數下，運行壓力越大，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

噴嘴廣泛應用于機械加工、化工、造紙等行業.本文主要研究在金屬切削加工中所用到的刀具冷卻系統，這一冷卻系統的作用是將刀具切削加工過程中所產生的熱量帶走，可顯著降低切削區溫度，提高刀具耐磨性，延長刀具使用壽命，改善加工表面質量，并同時對刀具起潤滑作用.刀具冷卻系統直接關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，扇形噴嘴有其獨特的優勢，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]，其工藝應用依據黏度、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，可以實現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行仿真分析.通過改變扇形噴嘴噴射過程中的某些參數，研究噴嘴流量、運行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規律.

1 模型建立

1.1 控制方程

實際流場中，由于氣液兩相間不存在化學反應和物理相變，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過程，因此首先從粘性運動的基本方程出發得出紊流射流的基本方程[6].

流動按照不可壓縮處理，其連續性方程在空間直角坐標系中的表達式為

(1) 對于不可壓縮黏性流體的N-S方程，在空間直角坐標系中的表達式為

因射流場處于湍流狀態，故采用標準的k-ε方程模型.標準k-ε方程模型的湍動能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能k的產生項，Gb是由于浮力引起的湍動能k的產生項，YM是可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響.根據Launder等的推薦值及相關的實驗驗證，模型常數取值如下：C1e=1.44，C2e=1.92，σk=1.0，σε=1.3[7].

1.2 物理模型

考慮到計算區域的形狀比較復雜，在使用gambit劃分網格時，主要采用非結構化網格中的Hex/Wedge網格.使用非結構網格是因為它可以消除結構網格中節點的結構性限制，因此能較好地處理邊界.本文建模所用噴嘴噴射流場的網格局部放大圖，如圖1所示.

圖1 扇形噴嘴噴射內外部流場計算模型和網格劃分

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

2 計算結果與分析

2.1 運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速度越來越小，由中心向兩側速度越來越小，這是扇形噴嘴在外部流場的典型特征.由圖2可見，流體在進入噴嘴內部后速度不斷增加，基本在噴口處速度達到最大；當流體噴射到外部環境即空氣介質后，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，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.在軸線附近有一個明顯的射流核心區域，在核心區域之外，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行壓力P分別為P1=0.2 MPa、P2=0.3 MPa、P3=0.4 MPa三種情況時，扇形噴嘴內外部流場在軸線上速度變化情況.當入口速度相同時，流體經過各噴嘴內部后速度迅速增加，并在噴口處達到最大值；當流體離開噴嘴進入外部環境后，射流束速度便沿軸線逐漸降低.其中運行壓力為P3的噴嘴的射流速度最大,運行壓力為P1的噴嘴的射流速度最小.可以看出，在其它參數不變的情況下，液體運行壓力增加，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方向擴散也最大.P1噴嘴中心射流速度最小，其射流束沿x方向擴散也最小.這說明液體運行壓力對扇形噴嘴扁平方向射流擴散有影響，在其它參數相同的情況下，隨著運行壓力增加，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，扇形噴嘴內外部流場在軸線上速度的變化情況.由圖可見，當其它參數相同時，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噴嘴內外部流場軸線上速度變化曲線

由圖6可以看出，當其它參數相同的情況下，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，研究了液體黏度、噴嘴流量、運行壓力以及表面張力對扇形噴嘴噴射特性的影響規律.仿真結果表明，當其它參數相同的情況下，隨著運行壓力增加，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.

[1]ATTANASIO A, GELFL M, GIARDINI C, et al. Minimal quantity lubrication in turning: Effect on tool wear[J],Wear, 2006, 260(3): 333-338.

[2]YAOJUN LIN，KEVIN M,MCHUGH，YlZHANG ZHOU，et al．The Selection of the Spray Deposition Rate during the Spray Rolling Process[J]．Metall. Trans.，2004,35：3595-3603.

[3]CAO JIANMING.SPRAY SCIENCE[M] . BEI JING: Mechanical Industry Press, 2005.

[4]ROBERT N K，WILLIAM P C．Nozzles-Selection and Sizing[R]．Virginia Cooperative Extension,2003:442-032.

[5]賽翰.噴嘴技術的發展和新型噴嘴技術[J].節能技術，1996(5):21-14.

[6] LIU H, WANG J，KELSON N，et al．A Study of Abrasive Water jet Characteristics by CFD Simulation[J]．Journal of Materials Processing Technology，2004,153/154:488-493.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，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，主要從事數控技術方面的研究

A

E- mail:rzw9811210@163.com.