利用 Fluent 研究噴射泵式DF系統
2018-5-16 來源：長治職業技術學院 作者：平艷玲
摘要：采用通用計算流體力學軟件 Fluent 對改進后的 DF 系統（噴射泵式 DF 系統）負壓裝置進行力學仿真。仿真結果表明：噴射泵式 DF 系統結構的排屑能力遠優于傳統的圓錐形噴嘴的 DF 系統結構，并可讓研究者形象直觀認識兩種負壓裝置內流體運動的力學特性。
關鍵詞：深孔加工 DF 系統 負壓裝置 仿真
0、引言
DF 深孔加工系統由單管噴吸鉆和雙泵加油深孔兩種結構組合而成。DF 系統屬于深孔鉆削加工系統，該系統通過噴射鉆和 BTA 內排屑鉆的結合而運轉，在需要加工的零件斷面處，設置一個油密封裝置，通過推壓手段控制其提供冷卻液的操作，并在該裝置的后部，放置一個裝置使其能產生吸引力，使冷卻液在這兩種力的雙重作用下加速流動，流量加大，增強排屑力。針對小直徑深孔鉆削加工類操作時，特別是加工性差和難斷屑類材料的加工過程中，該結構會十分適用且好用，同時能很方便地切屑處理。但該結構還存在眾多設計上的弊端，如設計時運用先前的經驗數據，未充分解釋噴吸效應，設計工作缺乏理論指導，掩蓋傳統DF 設計優勢。在本文中，重點探討噴射泵式 DF 系統中負壓裝置內的力學行為，數學模型的建造等問題，并運用 Fluent 軟件模擬分析兩種負壓裝置中的切削液，使研究者進一步了解噴射泵式 DF 系統負壓裝置的排屑能力。
1、噴射泵式負壓裝置結構設計
噴射泵式負壓裝置的基本結構模型如圖 1 所示。結構和傳統 DF 系統負壓裝置采用同一實驗條件，即雙進油孔的負壓抽屑裝置，能夠在射流前將其通道中切削液進行均壓操作，以此實現均勻的圓錐形射流，保障負壓效應提升；并在實現均壓效果前提下，縮小均壓腔空間，盡可能減少擴壓能量的損耗，使負壓裝置體積縮小。為達到該效果，在負壓裝置確定前提下對模型施加外界條件，分析模型裝置內液體特征，使兩種結構中負壓裝置內的壓力場、速度場、溫度場和能量場中狀況更完整地呈現.
圖 1 噴射泵式負壓抽屑裝置的三維半剖圖
2、幾何模型與數值計算方法
在計算過程中，運用有限元法離散控制方程以及邊界條件，運用 SIMPLE 算法得出壓力 - 速度耦合，通過一階迎風差分格式表示動量、湍流動能和溫度場離散格式。
3、計算結果與分析
傳統負壓抽屑裝置與噴射泵式負壓抽屑裝置在噴嘴處產生的最大壓力值分別是 1.4MPa 和 1.6MPa，即面對相同壓力出口，噴射泵式負壓抽屑裝置比傳統的負壓抽屑裝置的壓力增加。可以證明噴射泵式負壓抽屑裝置內，其前后壓差越大時排屑能力也越強。
處于排屑通道出口即混合室出口時，傳統負壓抽屑裝置和噴射泵式負壓抽屑裝置出口速度的最大值分別是 15m/s和 16m/s，可證明噴射泵式的負壓抽屑裝置能夠更加充分的運用能量，從而提升排屑能力。
傳統負壓抽屑裝置以及噴射泵式負壓抽屑裝置在噴嘴出口處動能分別是 550J 和 630J，即噴射泵式負壓抽屑裝置動能更大，從而使動能轉換率更高，能夠使排屑通道中的混合液體加速運動，增強排屑能力。
傳統負壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是 700J，噴射泵式負壓抽屑裝置排屑通道中的最大值是 800J，可見噴射泵式負壓抽屑裝置的排屑通道具有更強的混合力，從而帶動排屑能力的提升。
傳統負壓抽屑裝置以及噴射泵式負壓抽屑裝置在出口處的混合液溫度分別處在 323.5 ～ 325.5K 與 323 ～ 324.5K，可見相同溫度下，噴射泵式負壓抽屑裝置排出的混合液溫度更低，證明了該裝置具有良好的散熱性能。
4、結語
本文主要建造兩種負壓抽屑裝置和腔體內流體物理模型，使用 Fluent 軟件分析腔體內流體運動特征，并對比噴射泵式的負壓裝置實驗仿真與傳統負壓抽屑裝置在壓力場、速度場、溫度場和能量場等，分析各自特性與不足。研究結果表明，相對于傳統圓錐形噴嘴負壓裝置，配備擴散室與自由曲面的內外噴嘴結構噴射泵式負壓裝置具有更強的排屑能力。此外，驗證 DF 系統中負壓裝置的巨大作用，同時為研究者進一步了解噴射泵式 DF 系統的負壓裝置的內流體運動特征提供相應的依據。
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