CN110909457B - 一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，充分考虑静电雾化铣削时铣刀旋转产生的气流场和静电场对油雾浓度的影响，可有效评价静电雾化铣削时工作环境的空气质量情况；可以在短时间内获得模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况，避免了测量时测量点单一、耗时长、步骤繁琐的问题；可以有效避免初始工作环境质量对研究油雾浓度形成的影响。
Description
技术领域
本发明属于绿色加工微量润滑领域，涉及一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法。
背景技术
微量润滑(Minimal Quantities of Lubricant，MQL)是一种将压缩空气与微量润滑液混合雾化后喷射到加工区实施冷却和润滑的绿色冷却加工技术。微量润滑技术融合了干式切削与传统湿式切削两者的优点：一方面，MQL将切削液的用量降低到微量的程度，不仅显著降低切削液的使用成本，而且大多使用自然降解性高的合成脂类作为润滑剂，大幅度地降低了切削液对环境和人体的危害；另一方面，与干式切削相比，MQL使用压缩空气引入冷却润滑介质，使得切削过程的冷却润滑条件大大改善，刀具、工件和切屑之间的摩擦显著减小，有助于降低切削力、切削温度和刀具磨损，提高了加工质量。但其在使用中因雾滴运动不受约束及其向加工区传送时的飘散会使工作环境中油雾微粒浓度迅速增大，不仅污染了加工工作环境，而且对人体造成损害。
静电雾化是指将液体置于高压静电场中，液滴由于受到重力、表面张力及电场力的作用破碎成微小雾滴的过程。由于雾化液滴带电，通过改变高压静电场可以达到控制雾滴大小和输送液滴轨迹。研究表明，相比微量润滑而言，静电雾化可以很好地实现雾滴向目标物的有效传送，不仅改善了加工效果，而且提高了工作环境的空气质量，已成为切削加工中新一代的绿色高效冷却润滑技术。
研究静电雾化铣削油雾浓度形成机理对于合理应用静电雾化铣削以有效提高工作环境空气质量具有重要意义。目前主要采用重量分析、光散射、荧光分光光度及红外分光光度等测量方法在未切削且刀具旋转时研究静电雾化铣削油雾浓度的形成。然而这些测量方法存在测量点单一、耗时长、步骤繁琐、测量条件有限等问题，给静电雾化铣削油雾浓度形成机理研究带来很大困难。通过数值方法对静电雾化铣削油雾浓度建模与评价是研究静电雾化铣削油雾浓度形成机理的有效手段。但至今并未发现相关的研究报道。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对油雾浓度测量无法满足其形成机理研究的问题，提供一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法。
本发明所采用的技术方案是：一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，包括以下步骤：
步骤1：采用三维软件建立铣刀与喷嘴的三维铣削模型，所述三维铣削模型包括旋转A区域和静止B区域，所述旋转A区域为近铣刀壁面的小圆环体，所述静止B区域为远离铣刀壁面的大圆环体，旋转A区域和静止B区域形成装配关系，在旋转A区域和静止B区域的交界区域创建一致边界对；
步骤2：将步骤1建立的三维铣削模型导入仿真软件，并对三维铣削模型的旋转A区域和静止B区域进行网络剖分，得到仿真模型；
步骤3：采用基于冻结转子法的稳态方法计算仿真模型中铣刀在高速旋转时引起的气流场；
步骤4：以高斯定律为控制方程计算仿真模型的静电场；
步骤5：根据润滑油的化学分子式，计算得到润滑油的摩尔质量；
步骤6：根据润滑油的摩尔质量及工作流量，计算得到单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量；
步骤7：以步骤6得到的单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量设置通量入口条件，根据菲克扩散定律、对流和电场迁移传递机理，耦合步骤3中的气流场和步骤4中的静电场的解，通过瞬态方法计算得到仿真模型的油雾浓度分布情况；
步骤8：将步骤7得到的油雾浓度转换成油雾质量浓度场，对油雾质量浓度场进行后处理，得到油雾浓度分布云图以及模型内任一点的油雾浓度时变图；
步骤9：根据油雾浓度分布云图以及仿真模型内任一点的油雾浓度时变图，可实时获取模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况。
进一步的，所述步骤2中，在旋转A区域使用动网格进行网格剖分，在静止B区域使用静网格进行网络剖分，对模型锐角区域添加角细化节点，对旋转A区域和静止B区域的交界区域添加边界层节点，得到仿真模型。
进一步的，所述步骤3中采用基于冻结转子法的稳态方法计算仿真模型中铣刀在高速旋转时引起的气流场，其计算公式如下：
湍流粘度模型为：
其中，ρ为空气密度，Cμ为模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率；
k的输运方程为：
ε的输运方程：
其中，Cμ,Cε1,Cε2,σk,σε为仿真模型常数，u为气流场，μ为流体粘度系数。
进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：
将仿真模型中的喷嘴接负高压，铣刀接地；
根据下式计算得到仿真模型的静电场：
D＝ε0εrE (7)
其中，E为静电场强度，D为电位移，ρv为点电荷密度，V为电压,ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数。
进一步的，所述步骤6中采用下式计算得到单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量；
其中，J0为单位时间内通过喷嘴的摩尔通量，M为润滑油的摩尔质量，s为喷嘴的横截面积，l为润滑油的流量，ρp为润滑油密度。
进一步的，所述步骤7中采用如下计算公式得到油雾浓度分布情况：
I＝nq (17)
q＝ez (18)
其中，J为扩散通量矢量，u为气流场，c为油雾浓度，Di为扩散系数，F为法拉第常数，V为电压，z为离子电荷数，um为迁移率，I为雾化电流，n为润滑油物质的量，e为单个电子带电量，R为摩尔气体常数，T为温度。
进一步的，所述步骤8中采用式(20)将步骤7得到的油雾浓度转换成油雾质量浓度场：
cm＝cM (20)
其中，c为步骤7得到的油雾浓度，cm为基于质量的油雾浓度。
进一步的，还包括步骤10：根据模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况，得到静电雾化铣削时工作环境的空气质量情况。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)充分考虑静电雾化铣削时铣刀旋转产生的气流场和静电场对油雾浓度的影响，可有效评价静电雾化铣削时工作环境的空气质量情况，油雾质量浓度越低，空气质量越好；
(2)可以在短时间内获得模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况，避免了测量时测量点单一、耗时长、步骤繁琐的问题；
(3)可以有效避免初始工作环境质量对研究油雾浓度形成的影响。
附图说明：
图1为静电雾化铣削模型；
图2为模型的A、B两个域；
图3为网格划分；
图4为边界条件；
图5为油雾浓度仿真60s时结果云图；
图6为点位置；
图7为点a、b、c油雾浓度时变图；
图中：1.喷嘴；2.铣刀；3.空气域；4.连续性条件；5.负电势条件；6.通量入口条件；7.接地条件；8.出口；9.对称条件。
具体实施方式
本发明的静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法充分考虑了静电雾化雾滴受到的电场力、铣刀旋转气流场的阻力以及雾滴的自由扩散过程。具体包括以下步骤：
第一步，通过三维软件建立三维铣削模型，该模型包括铣刀2、喷嘴1。
第二步，将第一步建立的三维模型导入仿真软件，创建铣刀附近空气域3，去除一些不必要的细小面、点等。基于待使用的物理场进行网格剖分。通过添加边界层节点来细化湍流场中沿无滑移边界的薄边界层(A与B交界面)，通过添加角细化节点来减小模型锐角处的元素大小。
第三步，定义模型材料，使用基于冻结转子法的稳态方法计算铣刀高速旋转引起的气流场。该冻结转子法，即旋转部件保持在原位，通过引入离心力和科里奥利力来分析旋转。该方法特别适用于旋转机械中的流动，其中的几何拓扑不随旋转发生变化。
第四步，以高斯定律为控制方程计算模型静电场，其中喷嘴接负高压，铣刀接地。
第五步，根据润滑油的化学分子式，计算润滑油的摩尔质量。
第六步，采用合适方法(天平量筒法、重锤法、等压强法)测量润滑油的密度，根据润滑油的摩尔质量及工作流量，计算单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量；
第七步，利用第六步得到的喷嘴截面单位时间的摩尔通量，根据菲克扩散定律、对流和电场迁移传递机理，耦合第三步中的气流场和第四步中的静电场的解，通过瞬态方法计算模型的油雾浓度分布情况；
第八步，将第七步得到的油雾浓度转换成油雾质量浓度场，对油雾质量浓度场进行后处理，得到油雾浓度分布云图以及模型内任一点的油雾浓度时变图。
第九步，根据油雾浓度分布云图以及仿真模型内任一点的油雾浓度时变图，可实时获取模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况。
第十步，根据模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况，得到静电雾化铣削时工作环境的空气质量情况，油雾质量浓度越低，空气质量越好。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例：
本实施例以SANDVIK公司制造的未涂层硬质合金铣刀进行静电雾化铣削为例，对本实施例的静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法做详细说明，包括以下步骤：
步骤1：对未涂层硬质合金铣刀与喷嘴建立如图1所示的三维铣削模型，求解域为铣刀与喷嘴间的类圆环体区域。如图2所示，为了便于分析计算，模型拆分为A、B两部分，A区域为近铣刀壁面的小圆环体，此部分为旋转域；B区域为远离铣刀壁面的大圆环体，此部分为静止域；A和B形成装配关系，并在A、B交界区域创建一致边界对，以保证计算结果的连续性。油雾浓度数值建模参数见表1。
表1油雾浓度数值建模参数
步骤2：将第一步建立的三维模型导入仿真软件，创建铣刀1附近空气域3，去除一些不必要的细小面、点等，基于多重网格技术对上述几何剖分网格，网格数量在求解精度和内存消耗之间取舍，通过添加角细化节点来减小模型锐角处的元素大小。在A区域使用动网格，B区域使用静网格，通过添加边界层节点来细化沿无滑移边界的薄边界层(A与B交界面)，如图3所示。
步骤3：使用RANS湍流模型类型，k-ε湍流模型为控制方程，定义旋转域(A区域)顺时针旋转，转速为1200r/min，并在A、B区域导入空气材料。设置压力出口，顶部对称条件，A与B交界面连续性条件，其余为壁条件，如图4所示。通过基于冻结转子法的稳态方法来计算铣刀高速旋转引起的气流场，计算公式如下：
湍流粘度模型为：
其中，ρ为空气密度，Cμ为模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率。
k的输运方程为：
ε的输运方程：
其中，Cμ,Cε1,Cε2,σk,σε为模型常数，u为气流场，μ为流体粘度系数。模型常数取值见表2。
表2模型常数
步骤4：以高斯定律为控制方程，使用D＝ε0εrE的本构关系来描述电位移D和电场E之间的关系，如图4所示，设置喷嘴壁面电压为-7kV，铣刀接地，设置A与B交界面为连续性条件，计算电场强度，计算公式如下：
D＝ε0εrE (7)
其中，E为电场强度，D为电位移，ρv为点电荷密度，V为电压,ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数。
步骤5：根据润滑油的化学分子式，计算其摩尔质量。润滑油化学分子式各元素相对原子质量见表3。
表3相对原子质量
| 蓖麻油(C57H104O9) | 相对原子质量 |
| C | 12 |
| H | 1 |
| O | 16 |
润滑油的摩尔质量M等于其相对原子质量的总和：
M＝57×12+1×104+16×9＝932(g/mol) (8)
步骤6：用天平量筒法测量润滑油密度ρp，根据润滑油的流量和质量守恒定律，计算单位时间内通过喷嘴截面的摩尔通量，计算公式如下：
3600×J0·M·s·t＝ρpv (10)
v＝lt (11)
其中J0为单位时间内通过喷嘴的摩尔通量，J为模型扩散通量矢量，M为润滑油的摩尔质量，s为喷嘴的横截面积，t为喷射润滑油的时间，l为润滑油的流量，为单位向量，v为单位时间润滑油通过喷嘴的体积。
根据公式(10)和(11)，可得
步骤7：以步骤6计算的摩尔通量设置通量入口条件(图4)，根据菲克定律、对流和电场迁移传递机理，耦合步骤3中的气流场和步骤4中的静电场的解，计算油雾浓度分布情况，计算公式如下：
其中，J为扩散通量矢量，u为气流场，c为油雾浓度；
在对流和扩散条件下，J由以下公式获得：
在电场迁移条件下，J由以下公式获得：
本案例综合考虑对流、扩散及电场迁移传递机理，因此根据公式(14)和(15)得扩散通量的表达式为：
其中c为油雾浓度，Di为扩散系数，F为法拉第常数，V为电压，z为离子电荷数，um为迁移率。
离子所带电荷数由以下公式确定：
I＝nq (17)
q＝ez (18)
其中I为雾化电流，n为润滑油物质的量，e为单个电子带电量，z为离子电荷数。
根据纳恩-爱因斯坦关系，将油雾迁移率与油雾扩散率联系起来，公式如下：
其中R为摩尔气体常数，T为温度。
步骤8：基于质量的浓度节点，添加油雾基于质量的浓度后处理变量，公式如下：
cm＝cM (20)
其中cm为基于质量的浓度。
通过对仿真结果进行后处理，可以获得油雾浓度分布云图(图5)和铣刀附近a、b、c三点(图6)的油雾浓度时变图(图7)。
本实施例将仿真计算的油雾浓度以质量浓度来体现，并以云图和时变图分别表达模型区域和点的油雾质量浓度。现有的测量方法是不能实现这样全面评价的。
Claims (8)
1.一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：采用三维软件建立铣刀与喷嘴的三维铣削模型，所述三维铣削模型包括旋转A区域和静止B区域，所述旋转A区域为近铣刀壁面的小圆环体，所述静止B区域为远离铣刀壁面的大圆环体，旋转A区域和静止B区域形成装配关系，在旋转A区域和静止B区域的交界区域创建一致边界对；
步骤2：将步骤1建立的三维铣削模型导入仿真软件，并对三维铣削模型的旋转A区域和静止B区域进行网络剖分，得到仿真模型；
步骤3：采用基于冻结转子法的稳态方法计算仿真模型中铣刀在高速旋转时引起的气流场；
步骤4：以高斯定律为控制方程计算仿真模型的静电场；
步骤5：根据润滑油的化学分子式，计算得到润滑油的摩尔质量；
步骤6：根据润滑油的摩尔质量及工作流量，计算得到单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量；
步骤7：以步骤6得到的单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量设置通量入口条件，根据菲克扩散定律、对流和电场迁移传递机理，耦合步骤3中的气流场和步骤4中的静电场的解，通过瞬态方法计算得到仿真模型的油雾浓度分布情况；
步骤8：将步骤7得到的油雾浓度转换成油雾质量浓度场，对油雾质量浓度场进行后处理，得到油雾浓度分布云图以及模型内任一点的油雾浓度时变图；
步骤9：根据油雾浓度分布云图以及仿真模型内任一点的油雾浓度时变图，可实时获取模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况。
2.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤2中，在旋转A区域使用动网格进行网格剖分，在静止B区域使用静网格进行网络剖分，对模型锐角区域添加角细化节点，对旋转A区域和静止B区域的交界区域添加边界层节点，得到仿真模型。
3.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤3中采用基于冻结转子法的稳态方法计算仿真模型中铣刀在高速旋转时引起的气流场，其计算公式如下：
湍流粘度模型为：
其中，ρ为空气密度，Cμ为模型常数，k为湍流动能，ε为湍流耗散率；
k的输运方程为：
ε的输运方程：
其中，Cμ,Cε1,Cε2,σk,σε为仿真模型常数，u为气流场，μ为流体粘度系数。
4.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤4具体包括以下步骤：
将仿真模型中的喷嘴接负高压，铣刀接地；
根据下式计算得到仿真模型的静电场：
D＝ε0εrE (7)
其中，E为静电场强度，D为电位移，ρv为点电荷密度，V为电压,ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数。
5.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤6中采用下式计算得到单位时间通过喷嘴截面的摩尔通量；
其中，J0为单位时间内通过喷嘴的摩尔通量，M为润滑油的摩尔质量，s为喷嘴的横截面积，l为润滑油的流量，ρp为润滑油密度。
6.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤7中采用如下计算公式得到油雾浓度分布情况：
I＝nq (17)
q＝ez (18)
其中，J为扩散通量矢量，u为气流场，c为油雾浓度，Di为扩散系数，F为法拉第常数，V为电压，z为离子电荷数，um为迁移率，I为雾化电流，n为润滑油物质的量，e为单个电子带电量，R为摩尔气体常数，T为温度。
7.根据权利要求1或6所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：所述步骤8中采用式(20)将步骤7得到的油雾浓度转换成油雾质量浓度场：
cm＝cM (20)
其中，c为步骤7得到的油雾浓度，cm为基于质量的油雾浓度。
8.根据权利要求1所述的一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法，其特征在于：还包括步骤10：根据模型内各个点和区域在不同时刻的油雾浓度情况，得到静电雾化铣削时工作环境的空气质量情况。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911087176.4A Active CN110909457B (zh) | 2019-11-08 | 2019-11-08 | 一种静电雾化铣削油雾浓度数值建模与评价方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110909457B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004157089A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Foundation For Promotion Of Material Science & Technology Of Japan | 濃度プロファイル較正方法及び濃度プロファイル分析処理装置 |
| CN101908100A (zh) * | 2010-07-26 | 2010-12-08 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种地下水环境的建模及数值模拟方法 |
| CN104785374A (zh) * | 2015-03-24 | 2015-07-22 | 福建龙净环保股份有限公司 | 一种电除尘器性能检测方法及装置 |
| NO20140079A1 (no) * | 2014-01-24 | 2015-07-27 | Ledaflow Technologies Da | Fremgangsmåte for bestemmelse av strømningsparametere for en flerfasestrømning i en rørledningsseksjon |
| CN110096777A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-06 | 江苏科技大学 | 静电雾化铣削雾滴输运建模与输运效果评价方法 |
-
2019
- 2019-11-08 CN CN201911087176.4A patent/CN110909457B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004157089A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Foundation For Promotion Of Material Science & Technology Of Japan | 濃度プロファイル較正方法及び濃度プロファイル分析処理装置 |
| CN101908100A (zh) * | 2010-07-26 | 2010-12-08 | 中国科学院生态环境研究中心 | 一种地下水环境的建模及数值模拟方法 |
| NO20140079A1 (no) * | 2014-01-24 | 2015-07-27 | Ledaflow Technologies Da | Fremgangsmåte for bestemmelse av strømningsparametere for en flerfasestrømning i en rørledningsseksjon |
| CN104785374A (zh) * | 2015-03-24 | 2015-07-22 | 福建龙净环保股份有限公司 | 一种电除尘器性能检测方法及装置 |
| CN110096777A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-06 | 江苏科技大学 | 静电雾化铣削雾滴输运建模与输运效果评价方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 同轴静电雾化切削雾化研究;汤正成;苏宇;工具技术(第005期);全文 * |
| 室内空气环境VOCs浓度场的CFD仿真分析;黄洪涛;高运川;裘季冰;毛岳玲;;上海师范大学学报(自然科学版)(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110909457A (zh) | 2020-03-24 |
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