CN108875143A - 一种化学复合镀镀槽系统的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学复合镀镀槽系统的设计方法,属于化学复合镀技术领域。本发明所述方法包括如下步骤:①建立化学复合镀镀槽系统的流固耦合有限元仿真三维模型;②确定化学复合镀镀槽系统中的关键参数优化评价标准;③确定化学复合镀镀槽系统中影响粒子运动状态的关键因素并制定参数优化方案,采用CFD固液两相流模型进行数值模拟,提取各时间节点的相关图像及数据;④确定其中一个关键因素最优参数;⑤重复进行步骤④获得化学复合镀镀槽系统其他各关键因素的最优参数组合,确定环形网兜的结构及位置参数。采用本发明技术方案设计获得的化学复合镀镀槽系统性能优异,能够有效提高采用此系统制备出的磁性磨料的品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学复合镀镀槽系统的设计方法,属于化学复合镀技术领域。
背景技术
磁性磨料光整加工技术是针对复杂表面加工的重要加工方式之一,磁性磨料的品质直接影响光整加工的效果,使用化学复合镀法能够制备出使用寿命较长的高品质磁性磨料。根据使用化学复合镀法制备磁性磨料的制备工艺及第二相共沉积机理,在制备过程中需要使磨粒相在镀液中实现分散悬浮并与铁磁相实现充分接触。采用化学复合镀法制备磁性磨料时,化学复合镀镀槽系统的性能直接影响制备出磁性磨料的质量,因此需要对镀槽系统进行优化设计。
目前对化学复合镀镀槽系统的设计和优化大多采用试验比较和理论分析的方式,通过观察制备过程中的试验现象及磨粒性能对相关结构进行设计和调整,设计成本较高,设计周期较长,难以进行进一步的优化。运用CFD法进行优化设计能够明显降低设计成本,并获得更加详细和精确的数据及图像,更加直观的得到流场中的各种细节特性则更容易从中发现和总结规律,以获得化学复合镀镀槽系统的最优结构。
专利申请CN201010145263.3中将化学复合镀槽结构进行优化设计,使用计算流体力学软件进行数值仿真计算,获得了镀槽在添加挡板前后的流场特性,通过对比镀液的整体流动特征、镀液流线及平均湍流强度确定挡板的较优结构;但对于添加颗粒后在镀槽中的运动分散状态是通过激光粒度仪进行测定的,通过添加挡板前后镀液中的颗粒粒径分布情况,进而确定挡板、搅拌桨等的较优结构参数;采用有限元仿真和试验比较相结合的方式对化学复合镀槽结构进行设计,虽然能有效降低设计成本,提高设计的科学性,但由于镀槽中的粒子在分散运动过程中会存在团聚、遮挡等情况,使用激光粒度仪进行测定难以准确获得各时刻的粒子分布情况,因此对试验结果进行比较分析进而确定化学复合镀槽的相关结构参数会存在一定的偏差。
发明内容
本发明通过仿真模拟计算获得化学复合镀镀槽系统关键参数最优组合的同时,确定环形网兜的结构及位置参数,使磨粒相在上升过程中不受环形网兜阻碍,同时在下落过程中尽可能多的落入环形网兜中,以获得高品质的磁性磨料。
本发明提供了一种化学复合镀镀槽系统的设计方法,所述方法包括如下步骤:
①根据化学复合镀镀槽系统结构建立流固耦合有限元三维模型,按照化学复合镀镀槽系统的工作原理确定三维模型的边界条件;
②根据化学复合镀镀槽系统中环形网兜的环形柱体结构将粒子统计区域设计为相同的环形柱状空间,统计粒子在各时间节点的粒子统计区域空间位置及区域中的粒子总数变化情况,同时参考流域中粒子在重要时间节点处的运动速度图像及流体运动速度云图作为关键参数优化的评价标准;
③确定化学复合镀镀槽系统中影响粒子运动状态的关键因素为:化学镀槽半径R、镀液盛装高度L、冲液距离h、管路内径Φ、冲液流量Q,根据实际需求制定参数优化方案并进行单因素试验,采用CFD固液两相流模型进行数值模拟,提取各时间节点的粒子运动速度图像、流体运动速度云图及粒子坐标位置数据;
④采用粒子统计程序对各时间节点的粒子空间位置数据进行处理,获得粒子统计区域的空间位置及区域内的粒子总数,选取粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点及下落至最低点的粒子运动速度图像,将不同参数在同一运动状态下的运动分散状态进行比较,同时对不同参数在整个下落过程中的粒子运动分散状态进行对比,结合不同参数条件下流域中形成稳定环流所需时间、持续时间以及流体运动速度云图以确定关键因素较优参数,比较下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况,选取区域中粒子总数最高的一组为此关键因素的最优参数,以此关键因素最优参数为定值,对下一关键因素进行仿真模拟计算;
⑤重复进行步骤④获得其他各关键因素的最优参数组合,在已确定的化学复合镀镀槽系统中关键因素最优参数组合的条件下进行有限元仿真计算,提取粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点、下落至最低点的粒子运动速度图像及各时间节点的粒子空间位置数据,并获得粒子统计区域的空间位置及区域内的粒子总数,选取下落过程中统计区域内的粒子总数最高时所对应时间节点的粒子统计区域空间位置,进而确定环形网兜的结构参数及位置参数,使粒子在上升过程中不会受到阻碍,同时在下落过程中尽可能多的落入环形网兜中。
本发明优选为所述化学复合镀镀槽系统包括化学镀槽、冲液管、抽液管及环形网兜;
所述环形网兜悬挂在化学镀槽中;
所述冲液管的一端穿过环形网兜伸至化学镀槽的底部;
所述抽液管的一端伸至化学镀槽内的液面下。
本发明有益效果为:
①现有技术中大多采用试验对比和理论分析的方式对化学复合镀镀槽系统进行设计和优化,分析结果存在较大的偏差,设计成本较高,本发明采用基于CFD固液两相流进行模拟,能够精确获得流场中的相关图像及数据,并显著降低设计成本、缩短设计周期。
②从CFD计算结果中获得的相关图像及数据信息更加直观,本发明采用粒子统计程序对提取的相关数据信息按照设计需求进行统计和分析,以获得最佳参数组合的优化设计方法更加科学、准确。
③采用本发明技术方案设计获得的化学复合镀镀槽系统性能优异,能够使沉降的磨粒相迅速上升,并使大部分磨粒相均匀落入环形网兜中,使铁磁相与磨粒相实现均匀结合,有效提高采用此系统制备出的磁性磨料的品质。
附图说明
本发明附图13幅,
图1为实施例1所述化学复合镀镀槽系统的流固耦合有限元仿真三维模型;
图2为实施例1粒子统计区域示意图;
图3为实施例1粒子在第一次上升至最高点的运动速度图像;
图4为实施例1粒子在第一次下落过程中点的运动速度图像;
图5为实施例1粒子在第一次下落至最低点的运动速度图像;
图6为实施例1稳定环流时的流体运动速度云图;
图7为实施例1下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况图;
图8为实施例1最优参数组合时下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况图;
图9为实施例1粒子上升过程中的粒子运动速度图像1;
图10为实施例1粒子上升过程中的粒子运动速度图像2;
图11为实施例1粒子下落过程中的粒子运动速度图像1;
图12为实施例1粒子下落过程中的粒子运动速度图像2;
图13为实施例1所述化学复合镀镀槽系统的结构示意图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
实施例1
一种基于CFD流固耦合的化学复合镀镀槽系统的设计方法,所述方法包括如下步骤:
①建立化学复合镀镀槽系统的流固耦合有限元仿真三维模型:
如图13所示根据化学复合镀镀槽系统结构在GAMBIT软件中建立包括化学镀槽、冲液管及抽液管的三维模型,仅以化学镀槽中液体部分为固液两相流动的主体计算区域,以化学镀槽中盛装镀液的部分作为整体流域,其整体高度为化学镀槽中镀液的液面高度,同理冲液管与抽液管处于镀液中的管路部分对流域中流体的运动状态有影响,只以管内流体作为管路部分的计算主体,同时为方便设置边界条件,将管路上端略伸出整体流域上界面,建立的流固耦合有限元仿真三维模型结构如图1所示;
将化学镀槽与两管路部分划分为两个流域,以化学镀槽区域为整体流域,管路部分为动力流域,将两流域用四面体网格单元进行有限元离散,按照化学复合镀镀槽系统的工作原理设置边界条件:整体流域上端面及外侧曲面设置为壁面,两管路的柱体曲面设置为壁面,冲液管上端面设置为速度入口方向向下,下端面设置为数据交换,抽液管上端面设置为速度入口方向向上,下端面设置为多孔介质,两流域均设置为流体;三维模型边界条件设置如图1所示;
将网格输出并导入至FLUENT软件中,选用多相湍流模型中的k-ε模型进行瞬态计算,本实施例使用酸性镀液制备Ni-P-SiC磁性磨料,取重力值为9.81m/s2,以镀液平均密度作为流体密度,参照SiC的粒度及物化性质参数对固态粒子相关参数进行设置,将固态粒子设置在化学镀槽底部中心处,并且只对冲液阶段进行仿真计算;
②确定化学复合镀镀槽系统中的关键参数优化评价标准:
环形网兜的大小、悬挂的位置等相关参数需要参考关键参数优化结果进行确定,应使粒子在上升时不会受到环形网兜的阻碍并在下落时尽可能多的落入其中,因此根据环形网兜的环形柱体结构,将粒子统计区域设计为相同的环形柱状空间,如图2所示,以模型建立原点为粒子统计区域中心,其边界判断参数为:环形内圈半径r1、环形外圈半径r2、环形柱体高度所在空间位置z1及z2;
在粒子第一次从运动最高点处下落至最低点的这一过程中,以0.05s为一个时间节点,统计粒子密集区所处空间位置及区域中的粒子总数变化情况,同时参考流域中粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点、下落至最低点的运动速度图像及流体运动速度图像作为评价标准;
③确定化学复合镀镀槽系统中影响粒子运动状态的关键因素并制定参数优化方案,采用CFD固液两相流模型进行数值模拟,提取各时间节点的相关图像及数据:
在冲液作用下流域中流体的流动速度、运动方向与化学镀槽形状、冲液位置有关,需要流体在实现充分流动时具有适当的流速及流向,因此化学镀槽的形状结构是影响粒子运动状态的重要因素之一,即化学镀槽半径(R)和镀液盛装高度(L),粒子在冲液作用下的运动分散状态直观上与冲液作用的大小有直接关系,即与冲液距离(h)及冲液速度的大小有关,为便于对关键因素实现精确控制,将冲液速度这一影响因素转化为管路内径(Φ)和冲液流量(Q)这两个可控变量,针对以上影响粒子运动状态的关键因素,并结合实际需求制定参数优化方案见下述表1,采用单因素试验对化学复合镀镀槽系统的流固耦合有限元三维模型进行CFD模拟计算,以0.05s为一个时间节点,提取粒子运动速度图像、流体运动速度云图及粒子坐标位置数据;
表1单因素试验参数表
④确定其中一个关键因素最优参数:
采用粒子统计程序对不同化学镀槽半径(R)时各时间节点的粒子空间位置数据进行处理,获得粒子统计区域的空间位置及区域内的粒子总数,同时对粒子在第一次上升至最高点及下落至最低点的时间,流域中稳定环流的形成时间及持续时间进行统计,选取粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点及下落至最低点的粒子运动速度图像如图3、图4、图5所示,以及流域中形成稳定环流时的流体运动速度云图如图6所示,将不同化学镀槽半径参数下分别在三个运动阶段时的粒子运动分散状态进行比较,同时结合不同化学镀槽半径参数下分别在整个下落过程中的运动过程,参考流域中形成稳定环流时的相关参数及运动速度云图,以粒子运动状态较为稳定且分散情况适中,稳定环流形成速度快、持续时间长且实现充分流动的半径参数为化学镀槽半径(R)的较优值,绘制下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况折线图,如图7所示,选取图线中位于最上方即区域中粒子总数最高的一组为化学镀槽半径(R)的最优参数,以此参数作为化学镀槽半径(R)的定值,对下一关键因素进行模拟仿真计算;
⑤重复进行步骤④获得化学复合镀镀槽系统其他各关键因素的最优参数组合,确定环形网兜的结构及位置参数:
确定的各关键因素最优参数组合为:R=55mm、L=R、h=6mm、Φ=8mm、Q=8L/min,在此参数组合下基于CFD进行流固耦合有限元仿真计算,提取粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点、下落至最低点的粒子运动速度图像及各时间节点的粒子空间位置数据,使用粒子统计程序获得粒子统计区域的空间位置及区域内的粒子总数,绘制下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况折线图,如图8所示,选取图线最高点即1.45s时统计区域高度空间位置z2,为网兜在镀槽中悬挂时底面所处的位置,以这一时间节点统计区域的内外径参数r1、r2,分别为环形网兜的内外径参数,由此可保证在1.45s时大多数粒子能够准确下落至网兜中;1.7s时粒子应下落至最低点,以这一时间节点处统计区域高度空间位置z1,为网兜在镀槽中悬挂时上端面所处的位置,以保证粒子在下落过程结束时仍能够落入网兜中,由此确定环形网兜的结构参数及位置参数为:环形网兜的内径r1=16mm,环形网兜的外径r2=36mm,环形网兜的高度s=26mm,置于化学镀槽底部中心上方45mm处;
按照此参数将环形网兜对应于粒子的运动速度图像上,粒子在上升过程中的运动状态如图9、图10所示,此时环形网兜并未对粒子的上升过程形成阻碍,粒子在下落过程中的运动状态如图11、图12所示,此时大多数粒子均落入环形网兜中,因此所取环形网兜相关参数满足设计要求。
Claims (2)
1.一种化学复合镀镀槽系统的设计方法,其特征在于:所述方法包括如下步骤:
①根据化学复合镀镀槽系统结构建立流固耦合有限元三维模型,按照化学复合镀镀槽系统的工作原理确定三维模型的边界条件;
②根据化学复合镀镀槽系统中环形网兜的环形柱体结构将粒子统计区域设计为相同的环形柱状空间,统计粒子在各时间节点的粒子统计区域空间位置及区域中的粒子总数变化情况,同时参考流域中粒子在重要时间节点处的运动速度图像及流体运动速度云图作为关键参数优化的评价标准;
③确定化学复合镀镀槽系统中影响粒子运动状态的关键因素为:化学镀槽半径R、镀液盛装高度L、冲液距离h、管路内径Φ、冲液流量Q,根据实际需求制定参数优化方案并进行单因素试验,采用CFD固液两相流模型进行数值模拟,提取各时间节点的粒子运动速度图像、流体运动速度云图及粒子坐标位置数据;
④采用粒子统计程序对各时间节点的粒子空间位置数据进行处理,获得粒子统计区域的空间位置及区域内的粒子总数,选取粒子在第一次上升至最高点、下落过程中点及下落至最低点的粒子运动速度图像,将不同参数在同一运动状态下的运动分散状态进行比较,同时对不同参数在整个下落过程中的粒子运动分散状态进行对比,结合不同参数条件下流域中形成稳定环流所需时间、持续时间以及流体运动速度云图以确定关键因素较优参数,比较下落过程中统计区域内的粒子总数变化情况,选取区域中粒子总数最高的一组为此关键因素的最优参数,以此关键因素最优参数为定值,对下一关键因素进行仿真模拟计算;
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2.根据权利要求1所述化学复合镀镀槽系统的设计方法,其特征在于:所述化学复合镀镀槽系统包括化学镀槽、冲液管、抽液管及环形网兜;
所述环形网兜悬挂在化学镀槽中;
所述冲液管的一端穿过环形网兜伸至化学镀槽的底部;
所述抽液管的一端伸至化学镀槽内的液面下。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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