CN105718681A - 一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，具体步骤如下：(1)建立几何模型；(2)模型的网格划分：首先对喷嘴体通道模型进行分块处理，然后采用四面体网格对分块处理后的模型进行详细的网格重划分；(3)物理参数设置；(4)边界条件的设置：(a)采用模型；(b)进口边界设置；(c)出口边界设置；(d)壁面边界设置；(e)计算方法；(5)数值模拟结果与分析。本发明采用混合模型和离散相模型对喷嘴的磨粒流加工工艺进行仿真模拟，探讨了混合模型下流场内的压力和速度分布特性，又在离散相模型下探讨了颗粒冲蚀磨损机理以及不同速度、粒径、温度对冲蚀磨损的影响，为后续开展加工生产提供了重要依据。

Description

一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法

技术领域

本发明涉及磨粒流加工技术领域，具体涉及一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法。

背景技术

研究学者在近几十年来对磨粒流加工技术内复杂两相流系统进行了许多理论和实验研究，学者们构建了大量的数学模型对其进行数值求解。研究学者运用计算机软件，采用不同的数学模型对磨粒流加工过程中整个流体系的运动特性进行研究分析，为磨粒流抛光加工提供了一定理论基础。本发明是基于固液两相流动力学理论、混合模型、离散相模型以及冲蚀磨损模型理论为基础，对磨粒流加工过程进数值仿真模拟，探讨磨粒流加工过程中固液两相流的运动特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，以便更好地针对伺服阀阀芯喷嘴进行数值模拟。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，具体步骤如下：

(1)建立几何模型：以伺服阀的喷嘴体为研究对象，选取喷嘴体不同的外圆、内孔尺寸，采用不同模型对喷嘴体通道内固液两相流流动及冲蚀磨损特性进行数值仿真，利用workbench软件构建的喷嘴体流体区域几何模型；

(2)模型的网格划分：首先对喷嘴体通道模型进行分块处理，然后采用四面体网格对分块处理后的模型进行详细的网格重划分；

(3)物理参数设置：对喷嘴体的磨粒流加工技术，所采用的磨料加工介质是由航空液压油与碳化硅颗粒按照一定的比例配置的，计算求解过程中将航空液压油看作连续相流体，将松散的碳化硅颗粒看作离散固相；

(4)边界条件的设置：在Fluent软件中需要对计算模拟的问题进行进出口条件、采用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件等一系列的设置，喷嘴体磨粒流加工模拟参数设置如下：

(a)采用模型：假定磨粒流加工的介质流动为湍流状态，采用k-ε湍流模型、混合模型以及离散相模型，当考虑到连续相与离散相之间的动能量转换，对流场内参数考察时，需要添加其他相对应的参数模块；

(b)进口边界设置：

连续相：连续相选取的是航空液压油，进口条件采用速度进口条件，进口流动速度垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度；

离散相：离散相是一定体积分数的碳化硅颗粒，进口条件同样采用速度进口条件，设定与连续相相同的初始速度；离散相模型内选取不同的碳化硅颗粒直径，入口条件选取面射流源，而且在流场内设定了连续相与离散颗粒相之间的双向耦合作用，但颗粒与壁面的碰撞过程中认为颗粒是不发生旋转运动的，同时忽略了颗粒间的碰撞作用力；

(c)出口边界设置：

依据磨粒流加工的实际操作环境情况，磨粒流加工出口与外界相连接，所以设置出口边界条件为自由出口；

(d)壁面边界设置：

连续相：壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移条件；

离散相：因固相壁面不满足无滑移条件，离散颗粒是以一定的角度对加工壁面冲击碰撞，所以颗粒与壁面碰撞时设定为弹性碰撞，且颗粒碰撞加工壁面后能量会发生一定的变化，其变化规律由反弹系数决定；

(e)计算方法：

求解方法采用3D压力-速度耦合求解方式，选取经典SIMPLE算法和一阶迎风格式，在欧拉坐标系下计算连续相N-S方程，在拉格朗日坐标系下离散相求解器为了获得不断更新的颗粒状态，需要在每一个连续相的时间内对每个颗粒进行一步步的轨迹计算，在颗粒的当前状态下，离散模型求解器在单位颗粒时间步长内对颗粒的运动轨迹、质量、动量以及能量的传递等进行求解计算。

(5)数值模拟结果与分析：采用混合模型和离散相模型对伺服阀喷嘴体磨粒流加工技术进行数值仿真模拟，探索了喷嘴体磨粒流微磨削加工机理以及加工参数因子对喷嘴体磨粒流加工技术的影响。

在计算求解过程中采用混合模型，根据伺服阀喷嘴体的模型尺寸参数、磨粒流加工工况进行仿真设置，经过求解计算得到喷嘴体磨粒流加工系统的收敛残差曲线。随着迭代次数的增加，模型计算求解的各项参数大约迭代130次左右达到收敛，这说明了磨粒流加工在经过一段时间后达到稳定的湍流状态，且喷嘴体磨粒流加工求解参数和模型设计的设置是合理的，可以很快地达到收敛状态。为了进一步研究分析喷嘴体磨粒流加工流场内的运动特性，采用不同的加工工况，主要针对磨粒流加工通道内的速度和压力分布进行分析研究。

影响冲击磨损的因素很多，常受到外界环境的干扰影响，影响因素包括环境因素(速度、角度、时间、颗粒浓度、温度以及流体性质)、磨粒性质(粒度、硬度、形状等)和被加工工件的材料性质(粗糙度、强度、硬度等)。本发明主要从颗粒速度、温度、磨粒的粒径大小等方面入手，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响。

(1)入口速度对冲蚀磨损的影响：

本发明采取不同的速度对喷嘴磨粒流加工过程颗粒的冲蚀磨损进行数值模拟分析，获得了不同速度条件下的颗粒冲蚀磨损云图。不同的初始速度会导致不同的冲蚀磨损速率，为了更加清晰观察不同流速和冲蚀磨损率之间的关系。在伺服阀喷嘴磨粒流加工过程中，随着入口速度的增加，冲蚀磨损速率也呈现增加的状态。这种现象与颗粒受到多种作用力相关，当入口速度增大时，颗粒随着流体相的速度同时增大，流速的增加使单位时间内，加工表面的冲击颗粒数目增加，在流体相的携带作用下颗粒与加工壁面的接触碰撞率随之增大，从而导致了颗粒对加工壁面的碰撞、冲蚀磨损量增加；而且颗粒的动能随入口速度的增加而增加，这就导致了颗粒对加工壁面的碰撞冲击能量增大，进而对加工壁面的冲蚀磨损量增加，加工作用更明显。

(2)颗粒直径对冲蚀磨损的影响：

在磨粒流加工过程中，考虑到固相颗粒作为离散相，颗粒的跟随性和颗粒的无序运动会导致颗粒对加工壁面的频繁碰撞冲击，颗粒的直径大小很有可能会影响冲蚀磨损量，于是选取不同直径的颗粒对喷嘴磨粒流加工的冲蚀磨损进行数值模拟。不同粒径条件下的喷嘴磨粒流加工过程中，颗粒直径的增加，颗粒对壁面的磨损速率增加，即颗粒的微磨削作用增强，颗粒对壁面的微磨削量增加。

通过研究分析，颗粒的冲蚀磨损速率随着颗粒直径的增加而增加，是因为在颗粒直径较小的情况下，颗粒的质量相对较小，其对加工壁面的冲击力小，且没有颗粒的破碎，不存在颗粒的二次磨削，所以颗粒产生的磨损小；随着颗粒直径的增大，颗粒的冲击力变大，且存在颗粒的二次冲蚀磨损，所以颗粒对加工壁面的冲蚀磨损量也相应地增加。

(3)温度对冲蚀磨损的影响：

磨粒流加工当颗粒与壁面存在相对运动时，会发生摩擦和磨损作用效果，不论是加工速度还是粒径大小对磨损的影响，实质上均和温度相关。加工通道内温度的升高是由于加工表面受到作用力而产生的摩擦热，温度的升高会影响到流体和颗粒的性质，进而影响加工效果。所以本发明选取不同的加工温度，进行喷嘴磨粒流加工数值模拟分析。关系曲线总体的趋势是：温度升高，颗粒冲蚀磨损速率同时增大。当加工通道内的温度升高，流动性增强，颗粒之间的活跃性增强，导致颗粒的运动激烈程度加剧，从而颗粒对加工壁面的磨损率上升。

该发明的有益效果在于：本发明采用混合模型和离散相模型对喷嘴的磨粒流加工工艺进行仿真模拟，探讨了混合模型下流场内的压力和速度分布特性，又在离散相模型下探讨了颗粒冲蚀磨损机理以及不同速度、粒径、温度对冲蚀磨损的影响，为后续开展加工生产提供了重要依据。

附图说明

图1是本发明实施例中所使用喷嘴体流体区域几何模型示意图。

图2是本发明实施例中所使用喷嘴体模型的网格划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中的伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，具体步骤如下：

(1)建立几何模型：以伺服阀的喷嘴体为研究对象，选取喷嘴体不同的外圆、内孔尺寸，采用不同模型对喷嘴体通道内固液两相流流动及冲蚀磨损特性进行数值仿真，利用workbench软件构建的喷嘴体流体区域几何模型如图1所示。

(2)模型的网格划分：采用数值分析方法计算求解控制方程时，首先需要将控制方程在空间区域上离散化，然后才计算求解获取离散方程组。而将控制方程的离散化，就是采用网格生成技术进行划分网格。网格生成技术是进行离散分析的一个关键步骤，网格的质量与模型分析的几何特性、流动特性和流场的求值算法有很大的关联性，会影响单元间的通量计算，直接影响数值分析的计算精度、稳定性和计算效率。

为获得较好的网格质量，本发明首先对喷嘴体通道模型进行分块处理，然后采用四面体网格对分块处理后的模型进行详细的网格重划分。网格重划分的实质是通过网格的加密来提高计算精度和效率，是在计算求解的每一步进行各单元的检查，为满足曲率变化的区域单元，进行网格的加密重新划分，以此来增强对零件加工表面的处理，达到网格质量的目的。网格划分时对非结构网格质量的常用指标进行了检查，显示不存在负体积，说明了网格质量是可靠的。伺服阀阀芯喷嘴模型的网格划分情况如图2所示。

(3)物理参数设置：在进行磨粒流加工数值仿真之前，需要对计算流场内的参数进行设置，将实际的加工情况与仿真计算结合。本发明中对喷嘴体的磨粒流加工技术，所采用的磨料加工介质是由航空液压油与碳化硅颗粒按照一定的比例配置的，计算求解过程中将航空液压油看作连续相流体，将松散的碳化硅颗粒看作离散固相。具体的物理参数设置见表1。

表1磨料介质物理参数表

(4)边界条件的设置：在Fluent软件中需要对计算模拟的问题进行进出口条件、采用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件等一系列的设置，喷嘴体磨粒流加工模拟参数设置如下：

(a)采用模型：假定磨粒流加工的介质流动为湍流状态，采用k-ε湍流模型、混合模型以及离散相模型，当考虑到连续相与离散相之间的动能量转换，对流场内参数考察时，需要添加其他相对应的参数模块。

(b)进口边界设置：

连续相：连续相选取的是航空液压油，进口条件采用速度进口条件，进口流动速度垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度。

离散相：离散相是一定体积分数的碳化硅颗粒，进口条件同样采用速度进口条件，设定与连续相相同的初始速度；离散相模型内选取不同的碳化硅颗粒直径，入口条件选取面射流源，而且在流场内设定了连续相与离散颗粒相之间的双向耦合作用，但颗粒与壁面的碰撞过程中认为颗粒是不发生旋转运动的，同时忽略了颗粒间的碰撞作用力。

(c)出口边界设置：

依据磨粒流加工的实际操作环境情况，磨粒流加工出口与外界相连接，所以设置出口边界条件为自由出口。

(d)壁面边界设置：

连续相：壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移条件。

离散相：因固相壁面不满足无滑移条件，离散颗粒是以一定的角度对加工壁面冲击碰撞，所以颗粒与壁面碰撞时设定为弹性碰撞，且颗粒碰撞加工壁面后能量会发生一定的变化，其变化规律由反弹系数决定。

(e)计算方法：

求解方法采用3D压力-速度耦合求解方式，选取经典SIMPLE算法和一阶迎风格式，在欧拉坐标系下计算连续相N-S方程，在拉格朗日坐标系下离散相求解器为了获得不断更新的颗粒状态，需要在每一个连续相的时间内对每个颗粒进行一步步的轨迹计算，在颗粒的当前状态下，离散模型求解器在单位颗粒时间步长内对颗粒的运动轨迹、质量、动量以及能量的传递等进行求解计算。

(5)数值模拟结果与分析：采用混合模型和离散相模型对伺服阀喷嘴体磨粒流加工技术进行数值仿真模拟，探索了喷嘴体磨粒流微磨削加工机理以及加工参数因子对喷嘴体磨粒流加工技术的影响。

在计算求解过程中采用混合模型，根据伺服阀喷嘴体的模型尺寸参数、磨粒流加工工况进行仿真设置，经过求解计算得到喷嘴体磨粒流加工系统的收敛残差曲线。随着迭代次数的增加，模型计算求解的各项参数大约迭代130次左右达到收敛，这说明了磨粒流加工在经过一段时间后达到稳定的湍流状态，且喷嘴体磨粒流加工求解参数和模型设计的设置是合理的，可以很快地达到收敛状态。为了进一步研究分析喷嘴体磨粒流加工流场内的运动特性，采用不同的加工工况，主要针对磨粒流加工通道内的速度和压力分布进行分析研究。喷嘴体磨粒流加工过程中，压力分布最大位置在加工通道的入口处，随着磨粒流加工的深入，接近于喷嘴体小孔处的压力逐步减小，加工通道内绝大部分区域都保持在和入口处相同的压力下。分析可知，喷嘴体磨粒流加工技术在喷嘴小孔区域位置的颗粒运动激烈，这是因为通道尺寸的大小不同导致单位面积上的作用力不同，在此位置区域的作用力相对于其他加工区域大；小孔区域压力的减小是因为在颗粒对加工壁面的的微磨削作用时，微磨削加工时使压力产生损耗。

研究速度对压力的影响，选取相同颗粒粒径(30um)，不同速度条件下的磨粒流介质流动状态进行仿真。加工过程的总压力是静压和动压的和。静压是由于流体的微团中分子的不规则运动和其自己本身所具有的质量力而引起的，包含了压力能和重力势能，它与参考压力有关，数值可正可负；动压是用来表征流体运动速度相关的物理量，是由于流体的运动而引起的，其数值恒为正数，大小与参考压力无关。当入口速度增大时，相应的压力也会变大，变化较明显的加工区域为喷嘴体的小孔处，此处的流体运动相对于加工通道其他的地方比较激烈，所以小孔处的加工效率应该较高，可以达到喷嘴体的喷嘴区域的加工质量要求。

速度分析：在加工过程中速度变化比较明显的区域分布在喷嘴体的小孔处，在喷嘴体的主干路孔壁和小孔交界处速度突然变大，且最大的加工速度也分布于喷嘴体的小孔区域，可以预测此处的磨粒流微磨削作用比较明显。通过分析可知，小孔区域速度的改变主要是因为孔径通道的变化。在一定的加工工况下，当磨粒流介质流经喷嘴体的小孔区域时，由于小孔区域的通道突然变的狭窄，会导致速度的急剧增加，继而颗粒的动量增加，磨料颗粒在加工壁面会产生很大的磨削作用，材料的去除率将提高，从而导致小孔区域处的磨削加工比较明显。研究喷嘴体磨粒流加工过程中速度的变化时，采用压力入口条件下，选取不同的进出口压力，对其进行数值仿真分析。加工速度随着进出口压力的变化而变化，当进出口压力变大时，其加工速度也会相应增大，而且变化较明显的区域为小孔区域；当进出口的压力差变化时，会影响到磨粒流加工内的速度差，继而影响其加工质量。通过数据的分析可知，可以通过适当的增加加工进口压力来获取较大的磨粒流加速度；进出口压力差的变化，致使加工通道内各区域的压力差和速度差均会产生变化，这些变化影响到磨料介质与加工表面的摩擦碰撞率和材料去除率，进而影响磨粒流的精加工质量。

离散相模型数值模拟研究：离散相模型可以根据多相流体系下不同相之间的耦合以及相间耦合作用力用来数值分析复杂流场内离散颗粒的运动状态。和混合模型相比，不同的是在计算求解过程中，将流体相设定为连续相，流体内的离散颗粒设定为离散相，且在计算求解连续相的过程中，同时与流场变量相结合计算每个颗粒的受力状态获得颗粒在不同位置的速度，跟踪每个颗粒的相应运动轨道，从而求解离散颗粒的运动状态，将获得的信息反馈应用到连续相的计算过程内。

本发明实施例的研究是将磨粒流介质内的碳化硅固相颗粒设定为离散相，航空液压油设定为连续相，进行伺服阀阀芯喷嘴磨粒流加工的仿真模拟，研究分析加工过程内离散固相颗粒的运动状况，进而分析固相颗粒在流场内对磨粒流加工质量的影响。

根据加工工况设定好模型参数之后，对喷嘴磨粒流加工技术采用离散相模型进行仿真分析，经过求解计算得到喷嘴体磨粒流加工系统在离散相模型下的收敛残差曲线图。由收敛残差图可知，在离散相模型下计算求解的各项参数大约迭代160次左右达到收敛，同样说明了喷嘴体磨粒流加工求解参数和模型设计的设置是合理的，可以很快地达到收敛状态。

压力分析：在离散相模型下所获得的静压分布图和动压分布图。喷嘴磨粒流加工过程中，压力分布最大位置还是在加工通道的入口处，随着磨粒流加工时间的推迟，加工通道内绝大部分的加工区域都保持在和入口处相同的压力下，而接近于喷嘴小孔处的压力慢慢减小。磨粒流加工压力的变化和混合模型下的状态相近，具体的压力变化情况不再详细叙述。

速度分析：混合模型和离散模型条件下的速度分布相似，最大加工速度在小孔区域，速度变化明显的加工区域在喷嘴体的主干路和小孔交界处。小孔加工区域的速度增大时，使此处流体的湍流加剧，湍流动能增大，从而导致此处颗粒的无序运动更加激烈，颗粒对加工壁面的微磨削作用更大，加工质量更好。初步分析磨粒流加工过程速度变化情况，为了进一步研究分析各加工区域的速度分布，给出了速度等值线分布图和动压等值线分布图。动压可以用来表征流体的速度，通过对比速度等值线图和动压等值线图，可以清楚地看到，不论是速度分布图还是动压分布图都显示出在喷嘴体磨粒流加工过程中，颗粒速度的最大值处于小孔加工区域，且颗粒速度是在逐渐地增大；在小孔与主干路通道的交叉位置，靠近喷嘴体壁面位置的颗粒速度小于流场中心内部的颗粒速度，接近于壁面位置的颗粒速度也是呈现增加状态。这都说明了在小孔的加工区域内两相间的相互作用激烈，颗粒与壁面之间的运动加剧直接导致了动能的损耗，最终表现为离散颗粒对此处加工表面的磨损量增加，提高了表面的加工质量。

颗粒轨迹分析：离散颗粒相是在拉格朗日方法下计算求解的，通过对离散颗粒的逐步计算，获得了颗粒的运动轨迹图。由颗粒的运动轨迹示意图可以看出，颗粒的运动轨迹和流体的运动轨迹类似，这是因为在运动开始阶段，流体对颗粒的携带作用强，大部分颗粒跟随着流体在加工通道内运动，不会杂乱无序地直接撞击到加工表面上。颗粒的跟随性决定了颗粒的运动方向，靠近壁面的颗粒沿着流体运动方向在壁面产生滑移摩擦；当流经小孔加工区域时，孔径的突然变化导致了颗粒和流体的方向发生变化，此处颗粒的无序运动加剧，对表面的磨损率增加。在流场内，多种作用力会影响颗粒的运动轨迹，包括重力、流体的黏度以及曵力等。其中，颗粒的跟随性受到曵力的影响，维持着颗粒顺着流体的运动方向运动；在重力的作用下，颗粒随流体运动时，也向壁面方向运动，与壁面产生碰撞；流体黏度的变化会影响颗粒所受流体黏滞阻力的大小，进而影响颗粒对加工壁面的碰撞磨损。

冲蚀磨损分析：根据磨粒流加工技术和冲蚀磨损理论知识的分析得知，颗粒的微磨削加工机理的实质是磨料颗粒之间、磨料颗粒与加工表面之间发生相对运动，对工件的内表面产生一定的微量磨削、刻划、碰撞作用，从而实现对加工表面的光整加工。磨粒流加工颗粒的微磨削大致可以分为2部分进行分析研究：一是颗粒在流体连续相的驱动作用下，跟随流体靠近壁面进行磨削的过程；二是颗粒的冲击和碰撞而发生摩擦、磨损的冲蚀磨损过程。

当大量颗粒对某一局部区域不断的碰撞时会产生冲蚀磨损现象，这是颗粒综合作用的结果，颗粒的不断冲击导致工件的材料体积或质量不断流失直至趋向稳定状态。靠近喷嘴小孔的区域冲蚀磨损比较明显，这是由于加工通道尺寸的改变，速度的瞬时增加导致此处的颗粒的无序运动加剧，颗粒与壁面的碰撞更加激烈，导致微磨削作用明显。

影响冲击磨损的因素很多，常受到外界环境的干扰影响，影响因素包括环境因素(速度、角度、时间、颗粒浓度、温度以及流体性质)、磨粒性质(粒度、硬度、形状等)和被加工工件的材料性质(粗糙度、强度、硬度等)。本发明主要从颗粒速度、温度、磨粒的粒径大小等方面入手，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响。

(1)入口速度对冲蚀磨损的影响：

本发明采取不同的速度对喷嘴磨粒流加工过程颗粒的冲蚀磨损进行数值模拟分析，获得了不同速度条件下的颗粒冲蚀磨损云图。不同的初始速度会导致不同的冲蚀磨损速率，为了更加清晰观察不同流速和冲蚀磨损率之间的关系。在伺服阀喷嘴磨粒流加工过程中，随着入口速度的增加，冲蚀磨损速率也呈现增加的状态。这种现象与颗粒受到多种作用力相关，当入口速度增大时，颗粒随着流体相的速度同时增大，流速的增加使单位时间内，加工表面的冲击颗粒数目增加，在流体相的携带作用下颗粒与加工壁面的接触碰撞率随之增大，从而导致了颗粒对加工壁面的碰撞、冲蚀磨损量增加；而且颗粒的动能随入口速度的增加而增加，这就导致了颗粒对加工壁面的碰撞冲击能量增大，进而对加工壁面的冲蚀磨损量增加，加工作用更明显。

(2)颗粒直径对冲蚀磨损的影响：

在磨粒流加工过程中，考虑到固相颗粒作为离散相，颗粒的跟随性和颗粒的无序运动会导致颗粒对加工壁面的频繁碰撞冲击，颗粒的直径大小很有可能会影响冲蚀磨损量，于是选取不同直径的颗粒对喷嘴磨粒流加工的冲蚀磨损进行数值模拟。不同粒径条件下的喷嘴磨粒流加工过程中，颗粒直径的增加，颗粒对壁面的磨损速率增加，即颗粒的微磨削作用增强，颗粒对壁面的微磨削量增加。

通过研究分析，颗粒的冲蚀磨损速率随着颗粒直径的增加而增加，是因为在颗粒直径较小的情况下，颗粒的质量相对较小，其对加工壁面的冲击力小，且没有颗粒的破碎，不存在颗粒的二次磨削，所以颗粒产生的磨损小；随着颗粒直径的增大，颗粒的冲击力变大，且存在颗粒的二次冲蚀磨损，所以颗粒对加工壁面的冲蚀磨损量也相应地增加。

(3)温度对冲蚀磨损的影响：

磨粒流加工当颗粒与壁面存在相对运动时，会发生摩擦和磨损作用效果，不论是加工速度还是粒径大小对磨损的影响，实质上均和温度相关。加工通道内温度的升高是由于加工表面受到作用力而产生的摩擦热，温度的升高会影响到流体和颗粒的性质，进而影响加工效果。所以本发明选取不同的加工温度，进行喷嘴磨粒流加工数值模拟分析。关系曲线总体的趋势是：温度升高，颗粒冲蚀磨损速率同时增大。当加工通道内的温度升高，流动性增强，颗粒之间的活跃性增强，导致颗粒的运动激烈程度加剧，从而颗粒对加工壁面的磨损率上升。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)建立几何模型：以伺服阀的喷嘴体为研究对象，选取喷嘴体不同的外圆、内孔尺寸，采用不同模型对喷嘴体通道内固液两相流流动及冲蚀磨损特性进行数值仿真，利用workbench软件构建的喷嘴体流体区域几何模型；

(2)模型的网格划分：首先对喷嘴体通道模型进行分块处理，然后采用四面体网格对分块处理后的模型进行详细的网格重划分；

(3)物理参数设置：对喷嘴体的磨粒流加工技术，所采用的磨料加工介质是由航空液压油与碳化硅颗粒按照一定的比例配置的，计算求解过程中将航空液压油看作连续相流体，将松散的碳化硅颗粒看作离散固相；

(4)边界条件的设置：在Fluent软件中需要对计算模拟的问题进行进出口条件、采用的模型、计算方法、物理参数、壁面条件等一系列的设置，喷嘴体磨粒流加工模拟参数设置如下：

(a)采用模型：假定磨粒流加工的介质流动为湍流状态，采用k-ε湍流模型、混合模型以及离散相模型，当考虑到连续相与离散相之间的动能量转换，对流场内参数考察时，需要添加其他相对应的参数模块；

(b)进口边界设置：

连续相：连续相选取的是航空液压油，进口条件采用速度进口条件，进口流动速度垂直于进口边界面，模拟计算选取不同的速度；

离散相：离散相是一定体积分数的碳化硅颗粒，进口条件同样采用速度进口条件，设定与连续相相同的初始速度；离散相模型内选取不同的碳化硅颗粒直径，入口条件选取面射流源，而且在流场内设定了连续相与离散颗粒相之间的双向耦合作用，但颗粒与壁面的碰撞过程中认为颗粒是不发生旋转运动的，同时忽略了颗粒间的碰撞作用力；

(c)出口边界设置：

依据磨粒流加工的实际操作环境情况，磨粒流加工出口与外界相连接，所以设置出口边界条件为自由出口；

(d)壁面边界设置：

连续相：壁面条件采用增强壁面函数法和无滑移条件；

离散相：因固相壁面不满足无滑移条件，离散颗粒是以一定的角度对加工壁面冲击碰撞，所以颗粒与壁面碰撞时设定为弹性碰撞，且颗粒碰撞加工壁面后能量会发生一定的变化，其变化规律由反弹系数决定；

(e)计算方法：

求解方法采用3D压力-速度耦合求解方式，选取经典SIMPLE算法和一阶迎风格式，在欧拉坐标系下计算连续相N-S方程，在拉格朗日坐标系下离散相求解器为了获得不断更新的颗粒状态，需要在每一个连续相的时间内对每个颗粒进行一步步的轨迹计算，在颗粒的当前状态下，离散模型求解器在单位颗粒时间步长内对颗粒的运动轨迹、质量、动量以及能量的传递等进行求解计算；

(5)数值模拟结果与分析：采用混合模型和离散相模型对伺服阀喷嘴体磨粒流加工技术进行数值仿真模拟，探索了喷嘴体磨粒流微磨削加工机理以及加工参数因子对喷嘴体磨粒流加工技术的影响。

2.根据权利要求1所述的伺服阀阀芯喷嘴的数值模拟分析方法，其特征在于：在计算求解过程中采用混合模型，根据伺服阀喷嘴体的模型尺寸参数、磨粒流加工工况进行仿真设置，经过求解计算得到喷嘴体磨粒流加工系统的收敛残差曲线；随着迭代次数的增加，模型计算求解的各项参数大约迭代130次左右达到收敛，这说明了磨粒流加工在经过一段时间后达到稳定的湍流状态，且喷嘴体磨粒流加工求解参数和模型设计的设置是合理的，可以很快地达到收敛状态；为了进一步研究分析喷嘴体磨粒流加工流场内的运动特性，采用不同的加工工况，主要针对磨粒流加工通道内的速度和压力分布进行分析研究；从颗粒速度、温度、磨粒的粒径大小等方面入手，研究分析各参数因子对其磨削效果的影响；

(1)入口速度对冲蚀磨损的影响：

采取不同的速度对喷嘴磨粒流加工过程颗粒的冲蚀磨损进行数值模拟分析，获得了不同速度条件下的颗粒冲蚀磨损云图；不同的初始速度会导致不同的冲蚀磨损速率，为了更加清晰观察不同流速和冲蚀磨损率之间的关系；在伺服阀喷嘴磨粒流加工过程中，随着入口速度的增加，冲蚀磨损速率也呈现增加的状态；

(2)颗粒直径对冲蚀磨损的影响：

在磨粒流加工过程中，考虑到固相颗粒作为离散相，颗粒的跟随性和颗粒的无序运动会导致颗粒对加工壁面的频繁碰撞冲击，颗粒的直径大小很有可能会影响冲蚀磨损量，于是选取不同直径的颗粒对喷嘴磨粒流加工的冲蚀磨损进行数值模拟；不同粒径条件下的喷嘴磨粒流加工过程中，颗粒直径的增加，颗粒对壁面的磨损速率增加，即颗粒的微磨削作用增强，颗粒对壁面的微磨削量增加；

(3)温度对冲蚀磨损的影响：

磨粒流加工当颗粒与壁面存在相对运动时，会发生摩擦和磨损作用效果，不论是加工速度还是粒径大小对磨损的影响，实质上均和温度相关；加工通道内温度的升高是由于加工表面受到作用力而产生的摩擦热，温度的升高会影响到流体和颗粒的性质，进而影响加工效果；所以本发明选取不同的加工温度，进行喷嘴磨粒流加工数值模拟分析；关系曲线总体的趋势是：温度升高，颗粒冲蚀磨损速率同时增大；当加工通道内的温度升高，流动性增强，颗粒之间的活跃性增强，导致颗粒的运动激烈程度加剧，从而颗粒对加工壁面的磨损率上升。