mql气泡雾化喷嘴下游流场数值模拟

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论文题目：学科专业：研究生：指导教师：MQL气泡雾化喷嘴下游流场数值模拟机械制造及其自动化张敏肖继明副教授摘要签名：邋签名：耻塑工业化进程的加快带来的环境污染已日趋严重。金属切削加工业作为重要的工业领域，节能降耗，减小污染已迫在眉睫。本文针对金属切削加工中广泛应用的传统冷却润滑方式，研究开发了新的冷却润滑方式和系统，以期解决由此产生的污染问题。本课题具有重要的工程实际意义。小量冷却润滑(MQL)不仅冷却润滑效果好，且不会污染环境，是一种绿色冷却润滑方式。其中液体气泡雾化方式具有雾化质量高、耗液耗气量小、工作压力低等特点，在金属切削加工中的应用受到广泛关注。本文在进行大量分析研究的基础上设计了一套切削液气泡雾化系统，该系统以压缩空气为动力，形成气泡两相流，使切削液产生雾化。依据这一原理，设计了多孔气泡雾化喷嘴，并对其雾化特性进行了研究。建立了雾化喷嘴结构的流体运动模型，采用两相流中描述颗粒运动的欧拉．拉格朗日法，利用FLUENT有限元软件对喷嘴的雾化特性进行了数值模拟。分析结果表明雾化颗粒粒度与喷嘴口径近似呈正比关系，与气液流量比近似呈反比关系；雾化颗粒流速与气液流量比和压缩空气压强成正比，与喷嘴口径成反比，而切削液流率对雾化颗粒流速的影响较为复杂，在切削液流率较小时，随着它的增大雾化颗粒流速增大，但当切削液流率达到一定值后，雾化颗粒流速反而会减小，颗粒流速随着远离喷嘴口而逐渐减小；进一步用正交分析获得在气液流量比O．2、压缩空气压强0．4MPa和切削液流率3g／s的条件下，雾化颗粒粒度最小。此外，用所设计气泡雾化实验系统进行了初步实验，直观地观察了喷嘴口径和切削液流率变化对雾化效果的影响，结果与数值模拟分析一致。表明 西安理工大学硕士学位论文行气泡雾化喷嘴的设计和参数优化是一种有效的途径。；气泡雾化；雾化特性；数值模拟西省教育厅专项科研基金(05JK274)的资助。 Major：MechanicalManufacturingandAutomationName：MinZHANGSupervisor：AssociateProf．JimingXIAOAbstractSignatu阳：丝塑乡Signature：Withindustrialdevelopment，environmentalpollutionhasbecomesincreasinglysevere．Itisallimportantresearchsubjectthatenergysavinganddecontaminationinmetal—cuttingfields．AnewlubricationtechniqueandsystemWasdevelopedtosolvethepollutionproblemwhichbeenfromnOWcooling／lubricationmethodswidespreadusedinmetal—cuttingoperations．Ithasimportantengineeringmeaning．Minimumquantitylubrication(MQL)doesnotonlycooling／7lubricationeffectswell，butalsounabletopollutedenvironment．Liquideffervescentatomizinghasmanycharacteristicthatlli曲atomizingmass，littleliquidandairconsumptionandlowworkingpressure．Itsapplicationhasbeenregardedabroadinmetal-cuttingoperations．Asetofeffervescentatomizingequipmentofcutting-fluidwasdesignedbasedonalargeamountofanalyticalstudy．Theequipmenttakescompressedairaspowertoformairbubbletwo—phaseflowtoatomizecutting—fluid．Accordingtotheprinciple，amulti—apertureairbubbleatomizerWasdesignedanditsatomizingcharacteristicswereinvestigated．ThefluidmotionmodelWasbuiltaboutthestructureofatomizingnozzlebasedonEuler-Lagrangianmethodwhichdescribesparticlemotionintwophaseflow,TheatomizingcharacteristicofthenozzleWassimulatedandanalyzedwithFluentfiniteelementsoftware．Theresultsindicatethattheratiobetweenatomizingparticlessizeandnozzlediameterisalmostdirect，howevertheratiobetweenatomizingparticlesizeandair-liquidratioisalmostinverse；theratiobetweenatomizingparticlevelocityandair-liquidratioisalmostdirect，theratiobetweenatomizingparticlevelocityandcompress—airpressureisalsodirect，theratio 西安理工大学硕士学位论文betweenatomizingparticlevelocityandnozzlediameterisinverse，andtheinfluenceonatomizingparticlevelocitybyliquidflowrateisrelativecomplex，atomizingparticlevelocityincreaseswithcuttingfluidrateincreasingwhencuttingfluidrateislesser,butatomizingparticlevelocityinreversewhencuttingfluidratearriveatandefinitevalue；Withthedistancetonozzleincreasing，atomizingparticlevelocityisdecreasing．Itisacquiresthatminimumparticlesizewhenair-liquidratiois0．2，compress-airpressureis0．4MPaandcuttingfluidrateis3g／sbyorthogonalanalysis．Inaddition，theinitialexperimentofeffervescentatomizingequipmentwasimplemented，theinfluenceofdifferentnozzlediameterandcuttingfluidrateontheatomizationeffectwasobserveddirectly．Theresultsindicatethatthosearecoincidentwithnumericsimulationanalysis，anditisanefficientapproachtodesignandoptimizeparameterofeffervescentatomizerwithnumericsimulationmeans．Keywords：MQL；effervescentatomization；atomizationcharacteristic；numericalsimulationThisdissertationissupportedbyShaanXiProvinceeducationdepartmentspecialresearchfund(05JK274)． 目录1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1本文研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2绿色切削技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31．3MQL切削技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51．4MQL尚待深入研究的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81．5本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．92液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1l2．1液体雾化的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l2．1．1液体雾化的基本过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．112．1．2液雾分布特性及测量技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．2喷嘴雾化技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．182．3气泡雾化喷嘴技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．213MQL气泡雾化系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．1系统方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．2系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．243．3雾化喷嘴设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．243．3．1设计思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．253．3．2喷嘴设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．263．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．284气泡雾化喷嘴下游流场建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯294．1FLUENT软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．294．2两相流中颗粒运动的描述方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．314．3Fluent两相流数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324．3．1Fluent软件中两相流模型的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334．3．2离散相颗粒轨道方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．334．3．3．颗粒轨道计算步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．344．4雾化喷嘴下游流场建模及边界条件设定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯354．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．365气泡雾化喷嘴下游流场特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．375．1雾化特性的质量标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．375．2喷嘴参数及工况参数对雾化效果的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯385．2．1雾化颗粒直径的因素影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯395．2．2雾化颗粒速度的因素影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39 西安理工大学硕士学位论文5．2．3工况参数对雾化颗粒直径的正交分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．515．3喷嘴雾化颗粒轨迹模拟图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯535．4气泡雾化初步实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯545．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．566结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．576．1本文的主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．576．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．58参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59攻读硕士学位期间发表论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．62 第一章绪论1绪论1．1本文研究的背景及意义人口增长、环境恶化、资源匮乏已成为当今世界人类共同面临的严峻问题。随着全球经济一体化进程愈演愈烈，如何建立生产与资源环境相互协调的发展模式，如何减少浪费、提高人力和机械资源的生产力、促进资源的合理配置己成为当今企业实现可持续发展所要解决的首要问题。作为重中之重的机械制造行业正面临着全新的挑战。在金属切削加工中使用切削液始于十八世纪后期，当时金属切削加工只能以很低的速度进行。1883年，F．M．Taylor[1J发现将水浇注到切削区，可以有效提高切削速度并清除切屑。后来随着对金属切削加工质量要求的不断提高，又采用了动植物油作为切削液。这种油能在金属表面形成比较牢固的吸附膜，降低加工表面粗糙度，但它易氧化变质，使用期限较短。在不断的生产实践中，人们又试着将脂肪油跟矿物油掺合后作为一种混合油使用。后来，含硫、氯、磷等有机化合物和其他添加剂的非活性极压油和活性极压油应运而生。它们与金属起化学反应，形成高熔点、低剪切强度的固体润滑膜，提高了切削液在高温、高压下降低摩擦和抗烧结的能力。随着切削速度的不断提高，切削温度不断升高，油基切削液不能完全满足切削的要求，人们又开始重视水的冷却作用，把油的润滑性能与水的冷却性能结合起来，促使了乳化液的应用【2l。现在又发展了低污染的切削液，如图1．1所示。目前大部分机械零件的切削加工，尤其是自动化程度较高的数控机床、加工中心及自动生产线，I1883年F．M．Taylorl用水除硫、氯、磷等有机化合物、l非活性极压油、活性极胍油图1．1切削液的发展Fig．1-1Developmentofcuttingfluid绝大部分都是以使用切削液的湿式加工方式为主。此外，对一些难加工材料(如高硬度、高强度和高粘性)及一些特殊工序(如钻削、铣削、磨削)湿式加工仍是目前最有效的方法之一。切削液作为湿式切削加工中重要的配套材料，在机械加工中的作用，如冷却、润滑、清洗和防锈等是不可或缺的。在今后相当长的一段时间，使用切削液的湿式加工方法仍将是金属切削加工中要用到的主要冷却方法。然而，随着切削液的广泛使用和人们对环境保护及可持续发展意识的不断增强，使用切削液的种种弊端和负面影响(图1．2)也越来越明显。 西安理工大学硕士学位论文图1-2切削液的负面影响Fig．1—2Disadvantageinfluenceofcuttingfluid(1)污染环境传统的湿式切削加工是以大量资源消耗和投放废弃物为特征，切削液的参与比例很大，如德国，1997年金属加工工业中所消耗切削液达80万吨，且对加工过程中产生的三废(废气、废液、废屑)采用末端治理技术，等到产生了废弃物和污染后再处理，使治理污染的投入高，环保效果差。切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染问题。切削液主要分为油基和水基两种，含有多种有毒化学成份。矿物油是切削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中。美国环保局指出：油对水生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性，即不会导致生物死亡，但破坏其正常的生态。水中含油量超过10ppm(百万分率)，就会使海洋植物死亡，含油300ppm可使淡水鱼死亡。就算排放的废液经过严格的矿物油回收处理，其在水中的长期积累也不容忽视。此外，切削液的添加剂对环境的污染也是多方面的，如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削液中常用磷酸钠作防锈剂，而研究证明，磷酸盐类化合物的直接排放严重污染环境，会使河流、湖泊和海洋出现富营养化，出现蓝藻和赤潮。还有切屑中带有残存切削液的问题。切削液或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的切屑会污染土壤；切屑再生利用时切削液的有毒有害成分也会污染环境13J。(2)危害人身健康首先是对人体呼吸器官的危害，主要是在使用切削液时产生的油雾以及切削液散发的气味。油基切削液在高速或重载切削条件下，产生高温化学反应，释放刺激性的有害气体和油雾，燃点和黏度越低，烟雾就越大，污染越严重。其次，切削液中的添加剂具有毒性。水基切削液为改善切削性能加入了各种添加剂，如极压剂、防锈剂、防霉剂等。普通水基液含有数10种不同的化学成份，而且在使用中遇高温时会形成新的化合物，对人体健康危害较大。如常用效果较好的防锈剂是亚硝酸钠，亚硝酸盐类化合物可以使人体中毒，长期接触会致癌。作为杀菌剂使用的苯酚类物质毒性也很大。三是对人体皮肤的危害。常用作极性添加剂的氯化合物润滑性能好，但刺激人们的皮2 第一章绪论肤和眼睛；甲醛类化合物对人体刺激也很大，使眼睛流泪，且能致癌。矿物油、表面活性剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性以及无机盐、有机胺等碱性物质的作用，均会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。美国GeneralMoter汽车公司通过专门的综合调查，对直接接触切削液的机床操做工、不直接接触切削液的装配工和从未在机床上工作过的三类人群进行了比较，结果发现机床操做工患呼吸系统疾病，如咳嗽、呼吸困难、慢性支气管炎、鼻炎的较多14J。(3)增加生产成本德国VDMA和日本精密工程协会的研究表明，由于切削液的供给、保养、处理设备的折旧等费用，以及切削加工中采用切削液所引起环保的相关费用，约占零件制造成本的12％--一17％(图1．3)；磨削加工中切削液的费用甚至高达制造成本的30％左右。由于这些费用包含在间接费用之中，因而常常被低估。据测算，如果金属切削加工中20％的采用于式切削，总的制造成本可降低16％。存在着降低产品成本的巨大潜力15J。78哆扣85％的其它费用图1-3传统加工中的费用组成Fig．1-3Costcompositionintraditionalmachining由此可见，切削液的负面问题显然和可持续发展思想格格不入，许多国家已制定了严格的工业排放标准，限制切削液的使用。因此，本文要从切削液的用量入手，研究开发新的冷却润滑方法。1．2绿色切削技术的研究现状绿色切削技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。目前国内外对绿色切削的研究主要集中在干式切削和半干式切削两个方面。a．干式切削干式切削【641是指在切削加工中不使用切削液的加工方法，它从源头上消除了切削液带来的一系列负面影响。干式切削的实施，并不是简单地停止使用切削液，还包括对机床、工件，特别是刀具在内的整个工艺系统进行全面的考虑。由于干式切削具有比湿式切削高的切削温度，要实现干式切削，要求刀具材料必须具有高的红硬性、耐磨性、热韧性和热化学稳定性，且切 西安理工大学硕士学位论文屑、工件和刀具间的摩擦系数要尽量的小，刀具结构要便于排屑，刀具强度和冲击韧性要高；机床应尽可能是超高速切削机床，并配有吸尘、排屑装置【舯】。对于工件而言，其材质的热特性是决定是否适宜干式切削的重要因素。一般说来，材料的熔点越高，热传导系数和膨胀系数越小越适于干式切削；大质量LLd,质量工件越适于干式切削。美国LeblondMakino公司用陶瓷刀具和CBN刀具对铸铁进行高速干式切削的结果表明，高速切削时，产生的热量聚集于刀具前部，使切削刃附近工件材料达到红热状态，屈服强度明显下降，材料去除率显著提高【l们。b．半干式切削基于干式切削对刀具、机床和工件的上述特殊要求，完全的干式切削应用范围很窄，而传统的湿式切削又有诸多的不足，若将两者合理地结合，既可满足加工要求又可使与切削液的相关费用降低，这就是介于干式切削与湿式切削之间的半干式切削【¨】。目前使用的半干式切削方法主要有：低温风冷切削、液氮冷却切削和小量润滑切削MQL(MinimumQuantityLubrication)。图1．4所示为目前主要的绿色切削技术。图14主要绿色切削技术Fig．1-4Majorgreencuttingtechnique(1)低温风冷切削低温风冷切削是采用一10～一500C的冷风强烈冲刷加工区的一种方法(如图1．5)。它可以显著均匀地降低加工区的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具寿命，改善加工表面质量。若在冷风中供给微量润滑油，则改善效果更为明显。目前常用的介质有空气、N2(有液氮蒸发和常温氮气冷却到所需温度两种方式)和C02(干冰蒸发)等【2彤】。4．10—．50℃的图1．5低温风冷Fig．1-5Gascoolinginlowtemperature曰 第一章绪论(2)液氮冷却切削液氮冷却切削是采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态而进行切削加工，利用材料的低温脆性，使其在韧性降低、塑性减小的情况下完成切屑与工件的分离(如图1．6)【14】。利用材料的低温脆性图1-6液氮冷却Fig．1．6Liquidnitrogencooling曰(3)MQL切削MQL切削是将压缩空气与少量的切削液混合后，喷射到切削区，对刀具和工件进行冷却润滑(如图1．7)。MQL技术可以大大减少刀具、工件及切屑间的摩擦，起到抑制温升，减少刀具磨损，防止粘结和提高工件加工质量的作用。它使用的切削液很少，且大部分被蒸发，这就使切削液量大大减少，随之处理费用也大幅下降，不但提高了加工效率，而且不会对环境造成污染【15‘17】。压缩空气微量切削液图l-7MQL切削Fig．1-7Minimumquantitylubricationcutting以上三种切削，以低温风冷和液氮冷却所需装置条件复杂，且存在较多技术难题，应用范围受到了极大限制，而MQL则没有这些问题，其供给系统简单易实现，体积小易于布局，应用前景广阔。1．3MOL切削技术的研究现状目前，MQL切削技术主要用于对铸铁、钢和铝合金进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及各种材料的深孔钻削和铝合金的端面铣削等。表1．1所列为MQL技术及与其它冷却技术结合的一些应用实例(18-231。 西安理工大学项士学位论文表1一lMQL技术应用实例Tab．1—1MQLtechnologyexamplesapplication加工材料加工方法润滑方式切削液及用量使用效果铣削20ml／h铝合金MQL比浇注式效果好。(较高速、高进给)植物油铣削30ml／h(速度<50m／min)植物油对抑制刀具磨损十分有利。车削9．6ml／h(普通速度)水溶性油与浇注式水平相同。454钢MQL车削含极压剂有效延长刀具磨损。(普通速度)车削200ml／h降低切削力和进给力、减小切(低速、高进给)水溶性油削力的变化幅度。ASSAB铣削8．5ml／h大大降低切削力、减小刀具磨718HH钢(低速、低进给)MQLBPILORA128损、改善加工表面质量、减小毛刺。钛合金高速切削MQL与浇注式还有差距。高硅合金MQL+延长刀具寿命、抑制积削瘤、不锈钢低温风冷提高表面加工质量。MQL+能在切削区润滑困难的连续切不锈钢车削水雾冷却削中有效发挥作用。目前，美国MQL已经进人汽车工业中，NCMS(国家制造科学中心)制定了对铝合金加工进行大规模研究的计划。在此计划中，对于A356铝合金，以一把钻头钻削10000个直径6mm，深度20mm的孔为目标。根据所掌握资料，与MQL相比，干切削中采用没有涂层的一般钻头只能加工25个孔，即使采用最佳涂层的刀具，最多也就是5000个左右，而采用MQL就可以钻削10000个孔【241。德国MQL装置近几年来每年有15000套的市场(如图l一8)，而且还将进一步增加。MQL与新型刀具的结合使用也有很大的优势。预测，在未来两三年内，德国制造的加工中心中将有5％用MQL与涂层刀具相结合来取代浇注式冷却1251。6 第一章绪论工业部门机床k5％fch24％45％曩汽车制造业b汽车配件业c机床制造业d手工业e其它工业f高速加工铣床g加工中心h专机j普通机床k其它机床图1．8小量润滑的应用状况Fig．1—8Applicationstatusofminimumquantitylubricationg10％结合对MQL切削技术的理论和实践分析，MQL切削虽然不能满足所有切削条件下(如高速切削)对各种金属的切削加工，但其在金属切削加工和环保方面的优势已得到公认。在此将MQL切削的工艺效果归纳为如下几点：(1)减少切削液的用量，减少污染，降低生产成本美国Tbyssen公司将润滑系统集成在主轴中，其流量由CNC程序控制，该单元在6．5s时间内可钻削直径8mm、中心距为20mm的孔lO个，每小时使用润滑油仅一杯，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少，因此处理费用大幅降低f2倒。(2)减小切削力，降低动力消耗图1-9所示为采用不同冷却润滑方式时切削力的比较【21丌。可以看出，MQL切削时切削力较小于浇注式和纯空气切削。加T距离／m碳素钢端面铣削。切削速度为90re／rain图1．9切削力比较Fig．1-9Comparisonofcuttingforce(3)强化切削液的使用效果，减少刀具磨损，延长刀具寿命图1．10所示为采用不同冷却润滑方式时的刀具后刀面磨损情况【271。可以明显看出，7 西安理工大学硕士学位论文MQL切削时的刀具后刀面磨损宽度明显小于使用浇注式和纯空气式切削。表明MQL技术增强了切削液的渗透性，使其容易达到切削区，强化了切削液的使用效果，从而使刀具磨损减小，寿命延长。O．35O．3g0．25g趣0．2懈辎0．15雠0．10．05O_、厂．◆一氏◆芦一▲YV 第一章绪论化颗粒过小时易飘散到空中，而被人体吸入，不符合绿色制造工艺的要求。因此，在研究切削液雾化颗粒的大小和分布的同时必须控制雾化颗粒的大小和浓度，以及进行防护技术的研究。(3)MQL切削液输送方位、出口压力及用量的优化一般来讲，内喷法比外喷法更能迅速有效地对切削区进行冷却润滑，特别适合于封闭式切削，但刀具结构复杂。试验表明，对于外喷法，不同的喷嘴方位、喷嘴出口压力及切削液用量对刀具磨损的影响明显不同，需研究其优化的组合关系。(4)MQL切削技术与其它技术结合的研究高速切削难加工材料时产生的大量热量不能及时散去，切削温度迅速升高，致使切削液的润滑性能急剧下降，使用效果变差。试验表明，MQL切削技术能够提供和传统浇注切削相当甚至更好的润滑性能，但其冷却效果却不尽人意。因此，将MQL技术与新型刀具(材料)或低温风冷、水雾冷却等技术结合的研究也需进行。(5)MQL切削液雾化装置的开发MQL切削技术的工艺效果已得到公认，限制其早日投入生产实际，得以广泛应用，充分发挥其效能的最大障碍是切削液雾化装置或系统。在进行以上研究工作的同时，必须重视适于不同加工方式各种切削液雾化装置或系统的研究开发。1．5本文研究的主要内容本文设计的是小量润滑(MQL)型切削液雾化系统，主要进行了气泡雾化喷嘴的结构设计及其下游流场的特性分析。具体研究内容及方法如下：(1)在对液体雾化原理及相关技术大量分析的基础上，设计一套切削液气泡雾化系统；(2)结合喷嘴结构和两相流理论运用流体动力学分析软件CFD中的Fluent软件对气泡雾化喷嘴下游流场进行数值模拟及喷嘴雾化特性分析；①以喷嘴下游流场为研究对象，用CFD的前处理器Gambit进行建模；②合理设置边界条件；③计算连续相流场；④创建雾化颗粒源并计算颗粒(离散相)轨迹；⑤进行相间耦合计算直到收敛；⑥分析喷嘴参数及工况参数对喷嘴雾化效果(雾化颗粒直径和速度)的影响。(3)对所设计的切削液气泡雾化系统进行初步实验。本文各章内容安排如下：第一章绪论介绍课题的背景及研究意义，分析绿色切削技术和MOL的研究现状并提出MOL尚待研究的问题，确定本课题研究的内容和方法；第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术分析研究液体雾化的基本理论和喷嘴雾9 西安理工大学硕士学位论文化技术，确定小流量冷却润滑系统的雾化方法；第三章气泡雾化系统设计根据气泡雾化的基本原理设计切削液的雾化系统；第四章气泡雾化喷嘴下游流场数值模拟利用流体力学分析软件Fluent对泡雾化喷嘴下游流场建立流体运动模型。第五章气泡雾化喷嘴下游流场特性分析及初步实验分析喷嘴参数和工况参数对雾化喷嘴下游流场(雾化颗粒平均直径和速度分布)的影响。第六章结论与展望对本文的研究工作做以总结并对今后的工作进行展望10 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术2液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术2．1液体雾化的基本理论2．1．1液体雾化的基本过程液体的雾化过程实质上就是通过某种方法将具有一定体积的液体破碎，使之成为由许多微小颗粒组成的液滴群。液体的雾化过程是外力(液体压力、气动力等)与液体的表面张力和粘性之间相互竞争的过程，液体的表面张力试图使液体保持球形(此时液滴的表面能最小)，而液体的粘性则阻碍液体的变形，当外力作用足以克服表面张力和液体粘性时，液体就会破碎成为许多液滴。在研究液体雾化时，我们首先应该了解液滴的破碎模式和破碎过程。对于处于空气流场中液滴的破碎模式的研究可以追溯到二十世纪初，Lenardl281和Hochschwenderl291分别研究了自由下落的大液滴和小液滴在稳态气流中的破碎。此后许多学者都对液滴的破碎过程进行了大量的实验和理论研究，文献【29】利用高速摄影技术揭示了在不同气流作用下液滴的破碎主要具有以下三种模式，如图2一l所示。(1)当液滴处于平行或旋转气流中时，球形液滴首先被压扁成椭球形，然后破碎(图2—1a)；(2)当液滴处于平行双曲线形或库特流形气流中时，球形液滴首先被拉伸成雪茄形状，然后破碎(图2．1b)；(3)当液滴处于不规则气流中时，在液滴上会形成凸起的褶皱部分，并逐渐与本体分离，形成大量微小颗粒(图2．1c)，此即表面剥离式破碎模式。◇一一o(a)椭球形(b)雪茄形(c)褶皱形图2．1球状液滴破碎的主要模式Fig．2-lBreakupmodeofdroplet在稳定气流中，液滴的破碎主要受气动力(dynamicpressure)、表面张力(surfacetension)和粘性力(viscousforces)控制。对于低粘度液体，液滴破碎则主要受气动力和表面张力影响，当二者相等时，液滴开始破碎，因此有co孚o．5成诉：万D盯(2．1)叶式中：C【广_系数。肛液滴直径； 西安理工大学硕士学位论文卜表面张力系数。将上式写成无量纲形式为：—PAU—；D：旦(2．2)orCD‘。上式左端称为韦伯数We[3们，即气动力与液体表面张力之比。上式右端即为液滴破碎的临界肼‰(即液滴破碎时的韦伯数)的值。为了考虑粘性对破碎的影响，Hinze[3]1定义了另外一个无量纲数z，即昂色格(Ohnesorge)数：Oh=誓=赤ptcrd)(2．3)R(u’、因此，粘性液滴破碎的临界韦伯数耽衄可以表示成：耽眦=耽们，【1+厂(鳓)】(2．4)式中：耽。，——无粘性临界韦伯数。当韦伯数大于临界韦伯数时，液滴将开始破碎。液滴射流破碎模式是另外一个需要了解的问题。当液体通过喷嘴以连续的液柱形式喷射时，气动力、表面张力、粘性力之间的竞争使得射流在其表面产生振荡和波动，当波动幅度增大到一定程度，液体射流就会发生破碎。Reyleight321最早对无粘性射流进行了理论分析，并首先提出射流扰动结构的表面势能E。可以表示为：E=等(厂2+甩2一1)壤(2．5)式中：d——射流直径(mm)；以——Fo面er常数；7——无量纲波数，7=2zr／2。允——波长(mm)。当扰动是非对称时，E>0，射流是稳定的，不会发生破碎；而当射流受到对称扰动时，E<0，扰动幅度会被放大，最终导致射流的破碎。破碎后液滴的直径为：D=1．89d(2．6)Weber进一步发展了Reyleigh的理论，提出对于无粘性液体射流，破碎的最佳扰动波长为：b=～／2n'd(2．7)而对于粘性射流，破碎的最佳波长为：‰2励卜器J亿功Haenlein[331利用实验手段验证了Weber理论的正确性，并进一步提出液体射流破碎的四种模式：(1)液滴的形成不受气流的影响，而仅受表面张力的影响，即Reyleigh破碎模式。12 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术破碎是由于扰动使得射流表面形成轴对称振荡波，该波动在表面张力作用下振幅不断增大，最终导致液柱的断裂和破碎。(2)液滴的形成主要受气体流动和表面张力的影响，即第一类风生破碎模式(FirstWind．inducedBreakupRegime)。由于液体射流与气体之间的相互作用增强了表面张力的作用，使液柱表面各点的曲率发生变化，造成液柱内部压力分布不均，并迫使液体向曲率半径大的方向流动，从而导致射流的破碎。(3)液滴的形成主要受射流表面波长的影响，即第二类风生破碎模式(SecondWind—inducedBreakupRegime)。破碎是由于射流在气动力作用下，在表面形成非稳态增长的小波长(正弦扰动波)，最终导致射流破碎。在此过程中表面张力对扰动的增长起抑制作用，即阻碍了射流的破碎。(4)射流的完全破碎模式，即雾化模式(AtomizationRegime)。液体射流在喷嘴出口就发生破碎，形成直径很小的液体颗粒群。至今，人们对于这种破碎模式的具体机理和原因还没有完全研究清楚，一般认为是液气相互作用形成的压力波造成的，同时气液之间的相会剪切也是原因之一。2．1．2液雾分布特性及测量技术a．液雾尺寸分布特性(1)液滴尺寸分布表达式液体被雾化后的液滴群一般由大小不等的液滴颗粒组成，为了描述和评定液滴群的雾化质量和表示其雾化特性，需要一个既可以表示颗粒直径大小又可以表示不同直径颗粒的数量或质量的表达式，即所谓的液滴尺寸分布表达式。现在普遍应用的液滴分布表达式都是经验公式，至今还没有从理论上得到能够详细描述液体颗粒分布的表达式。对于液滴尺寸分布的描述一般有以下四种形式【34】：①数量积分分布：大于(或小于)给定直径d。的液滴数N占液滴总数N。的百分数，称为液滴的数量积分分布，用N／N。表示。②重量积分分布：大于(或小于)给定直径d；的液滴重量W(或容积V)占液滴总重量wj(或容积Vo)的百分数，称为液滴的重量积分分布，用形／Wo(或v／r'o)表示。③液滴数量的微分分布：在直径范围d；±d(d，)／2内，液滴数量的增量dN占液滴总数N。的百分数，称为液滴数量的微分分布，用dN／Nod(d,)表示。④液滴重量的微分分布：在直径范围d；±d(d，)／2内，液滴重量(或容积)的增量dW(或dy)占液滴总重量Wo(或总容积Vo)的百分数，称为液滴重量的微分分布，用dI,V／Wod(d,)或d矿／rod(d,)表示。以上分布的典型曲线如图2．2所示。由于理论上还不能找出这些分布的具体形式，因此只能依靠经验来建立经验公式，大量的实验结果证明，其数量微分分布大体可以用下式表示： 西安理工大学硕士学位论文型L：口d,[,e-td7d(4)式中：a、b、rfl、n都是常数，由实验确定。(2．9)图2—2液滴尺寸分布曲线Fig．2-2Dropsizedistributingcurve大多数研究者所提供的喷嘴雾化尺寸分布表达式都是基于式(2．9)得到的。较为著名的有：①Rosin．Rammler分布：其表达式为月：旦：当：1一P一耖(2．10)％‰、7式中：肛一滴径小于di的液滴重量(或容积)占液滴总重量(或总容积)的百分数；d——特征直径，指重量(或容积)分布中(1-R)=l／e所对应的滴径；N_颗粒均匀度指数，该值越大表示颗粒直径越均匀。②Nukiyama．Tanasawa分布：该分布比较适用于对于直流喷嘴雾化颗粒进行描述，其数量微分分布表达式为黑：口彳exp(一叫)(2．11)d(4)‘一⋯、其中，b、n用试凑法求出。③对数正态分布：其表达式为一dR：车(万2y2)(2．12)Jr_exp(OY1——2—7==J【Z．ay、／刀式中，Y=In(d／do)，J为实验常数。(2)液滴平均尺寸分布表达式实际的液雾中液滴尺寸大小不一，为了分析问题的方便，采用了平均液滴尺寸的概念。平均液滴尺寸的定义是一个假想均匀尺寸的喷雾，它在某些方面的特征参数(或特性)与实际不均匀喷雾的相同，这个假想均匀喷雾的液滴尺寸称为平均尺寸。平均液滴直径常用14 第二章液体雾化基本理论及喷嘴雾化技术的有质量中间直径(MMD)和索太尔(Sauter)平均直径，常以SMD或D蛇表示。质量中间直径定义为在这直径之上或之下的液滴质量是50％；索太尔平均直径的物理意义为液雾内全部液滴的总体积与总表面积的比值，用公式表示为：r一刃删泐-D3：2莆丽Q_3’乜‘b．液雾测量技术及设备(1)液雾测量技术概述进行任何一项实验研究，都离不开测量技术的支持。测量技术的先进与否，代表了实验研究水平的高低。在喷嘴雾化特性诸参数中，最为难测量的是雾化后的液滴尺寸和尺寸分布，而这两个参数又是衡量喷嘴雾化特性优劣的不可缺少的指标。因此，喷嘴雾化特性的实验研究实际上主要是围绕发展和提高液滴尺寸及其分布的测量技术而展开的。数十年来，己经出现了多种测量液滴尺寸及其分布的方法，综合而论，可分为接触式和非接触式测量两大类，如图2．3所示。冻结法接触式涂层印痕法液雾测量技术激光散射、衍射测量技术普通照相法非接触式引憎II黜全息照相测雾技术激光干涉相位多普勒测雾技术三维激光相位多普勒测雾技术图2．3液雾测蕈技术Fig．2—3Liquid-mistmeasUl'etechnique早期的测量技术多属于接触式，如冻结法和涂层印痕法【321。①冻结法是将加热融化的石蜡液体喷入到一个相对低温的环境中，于是喷出的液体被迅速冷却，凝固成大小不等的颗粒，将这些颗粒收集，然后通过照相或光学显微技术测量以上颗粒的直径，并按照不同的尺寸分组计算或称量，得到液雾群的平均直径和尺寸分布。②涂层印痕法则是将涂有氧化镁等胶质涂层材料的取样板置于喷雾场中，通过测量液滴在取样板上留下的印痕来确定颗粒直径和尺寸分布。另外，早期还发展有一些非接触式的测量方法，如普通照相法、光扫描法、闪光照相法等129】。但由于以上方法存在技术上的种种缺陷，没有得到普遍的应用。二十世纪60年代激光器的出现，特别是激光技lS 西安理工大学硕士学位论文术与高度灵敏、高频相的光电检测技术和电子计算机数据处理相结合的系统出现以后，非接触式测量技术进入了一个新纪元。近年来，激光测雾技术的发展主要在以下几个方面：①利用粒子散射、衍射原理发展的激光散射、衍射测量技术；②利用激光全息原理发展的全息照相测雾技术；③利用激光干涉多普勒测速原理的相位多普勒测速、测雾技术；④三维激光相位多普勒LDV／APV(LaserDopplerandadaptivephase／Doppler)方法。所有这些技术目前都随着测量元件和计算机技术的迅速发展而日益完善，可满足对雾化特性试验研究和工程测量的需要。(2)激光多普勒效应【35】当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射(或反射)的光的频率将发生改变，这种现象称为光的多普勒效应。相应地，将散射(或反射)的光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效应。但是在激光器出现以前，要得到频谱窄、能量集中的光源是不容易的。激光作为一种新型光源的出现为利用光波的多普勒效应创造了条件。在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差(或称频移)来获得速度信息。这里存在着光波从(静止的)光源_÷(运动的)微粒_(静止的)光检测器三者之间的传播关系。当一束具有单一频率的激光照射到一个运动微粒上时，微粒接收到的光波频率与光源频率会有差异，其增减的大小与微粒运动速度以及照射光与速度方向之间的交角有关。如果用一个静止的光检测器(如光电倍增管)来接收运动微粒的散射光，那么观察到的光波频率就经历了两次多普勒效应。多普勒总频移量的关系式可以推导如下：设光源为O，运动微粒P和静止的光检测器S之间的相对位置如图2—4所示。照射光的频率为厶，粒子P的运动速度为U。根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接受到的光波频率为：1-盟，’一，J—j0C(2．14)式中：％——入射光单位向量：c——介质中光的传播速度。当U．％<B>C。52 第五章气泡雾化喷嘴下游流场特性分析表5．6方差分析表Tab．5—6AnalysisofvarianceSourceTypeIIIsumofSquaredfMeanSquareFSig．CorrectedModel70167．333(a)61694．55644．2420．022Intercept14689．000114689．000509．5420．002A4788．66722894．33386．6120．0llB1434．00021717．00025．4110．038C1944．66721072．33320．7020．046Error528．66722“．333Total25385．0009CorrectedTotal7696．0008．：‘‘：v⋯、警：鬈、辫+．．如．．毋菠麓；∥∥。毒参鼗麟；～。7．：．：¨。·◇?之一羔醚。0≯^ 西安理工大学硕士学位论文图5-24是气泡雾化喷嘴的雾化颗粒轨迹模拟图，描述了雾化颗粒从开始喷出到完全喷出的过程。5．4气泡雾化初步实验在5．1-5．3节中通过数值模拟分析了喷嘴参数和工况参数对气泡雾化喷嘴下游流场的影响。本节需要进一步通过实验验证小量润滑系统的雾化效果。实验获得Y4,量润滑系统的雾化效果图。通过对图6—1、6—2、6-3的分析可以看出，喷嘴口径和切削液流率对喷嘴的雾化效果均有影响。随着喷嘴口径的增大，雾距和雾化锥角均相应的增大；随着液体流率的增大，雾距和雾化锥角均相应的增大；气泡雾化喷嘴的雾化效果良好。(a)液体流率较小(b)液体流率较大图昏l喷嘴口径为O．5mm的雾化效果Fig．6·1Atomizingeffectin0．5mmnozzlediameter (a)液体流量较小(”液体流量较大图6．2喷嘴口径为1．0mm的雾化效果Fig．6—2Atomizingeffectin1．Ommnozzlediameter55 西安理工大学硕士学位论文5．5本章小结(b)液体流量较大图6．3喷嘴口径为1．5mm的雾化效果Fig．6—3Atomizingeffectin1．5mmnozzlediameter本章分析了喷嘴参数(喷嘴口径)、工况参数(气液流量比、切削液流率、压缩空气压强)对雾化颗粒直径、速度的影响，并正交分析了工况参数对雾化颗粒直径的综合影响，分析结果如下：(1)各参数对雾化颗粒直径的影响雾化颗粒直径与喷嘴口径呈近似正比关系，而与气液流量比呈近似反比关系；当压缩空气压强在0．4MPa时，雾化颗粒的平均直径最小。(2)各参数对雾化颗粒速度的影响雾化颗粒速度与气液流量比成正比，与压缩空气压强成正比，与喷嘴口径成反比，当切削液流率较小时雾化颗粒速度随切削液流率的增大而增大，当流率达到一定值后，再增加流率颗粒速度反而会减小；雾化颗粒的速度随远离喷嘴口而减小，且减小趋势逐渐衰弱。(3)针对工况参数对雾化颗粒直径的综合影响，本章进一步通过正交分析获得了雾化颗粒直径最小时对应的工况参数：气液流量比0．2、压缩空气压强0．4MPa、切削液流率39,／s。(4)针对小量润滑系统做了初步实验。通过实验获得了雾化效果图，并表明气泡雾化系统雾化效果良好，与理论分析结果一致。 6结论与展望6．1本文的主要结论MQL切削技术虽不能满足所有切削条件下对各种金属的切削加工，但其在金属切削加工和环保方面的良好工艺效果已得到公认，研究和应用越来越广。本文结合对MQL切削技术理论和实践研究分析，设计了一套基于MQL的气泡雾化系统，用数值分析方法对影响其雾化特性的主要参数进行了较全面的分析，并进行了初步实验。本文获得的主要结论如下：(1)雾化颗粒的平均直径与喷嘴口径呈近似正比关系，而与气液质量比呈近似反比关系：当压缩空气压强为0．4MPa时，雾化颗粒的平均直径最小；雾化颗粒的平均直径很小，一般都不超过100gm。(2)雾化颗粒速度与气液流量比成正比，与压缩空气压强成正比，与喷嘴口径成反比，当切削液流率较小时雾化颗粒速度随切削液流率的增大而增大，当流率达到一定值后，再增加流率颗粒速度反而会减小；雾化颗粒的速度随远离喷嘴口而减小，且减小趋势逐渐衰弱。一j(3)通过正交分析获得雾化颗粒直径最小时对应的工况参数：气液流量比0．2、压缩空气压强0．4MPa、切削液流率3g／s。(4)针对小量润滑系统做了初步实验，通过实验获得了雾化效果图，表明气泡雾化系统雾化效果良好，并与数值分析结果一致。6．2展望虽然本文取得了一些成绩，但由于设备和时间上的限制，不可能在短时间内做出全面研究，关于MQL气泡雾化系统在实际中的应用有必要进行深入的研究。在此本人对以后该方面的研究工作建议如下：(1)本文只是对雾化系统做了初步试验，今后需要进一步研究切削液流量、空气压强、气液流量比等参数对实际金属切削加工的冷却润滑效果。(2)进一步研究开发适于不同加工材料在不同加工方式中的MQL气泡雾化装置，推动MQL切削技术在更广范围的应用，创造更好的技术经济效益。57 西安理工大学硕士学位论文致谢本论文是在导师肖继明副教授的严格要求和悉心指导下完成的。实验的进行和论文的写作都凝聚着导师的汗水和心血。导师肖继明副教授知识渊博、治学严谨、勤勉务实、品德高尚以及对前沿科学具有敏锐的洞察力，这一切都使我受益匪浅，在此，谨向一贯支持和鼓励本人进步的导师致以崇高的敬意和最衷心的感谢!在论文完成期间得到了李言教授、郑建明副教授、李淑娟副教授及113研究室所有同学的无私帮助，在此对给予作者支持和帮助的人表示诚挚的谢意!本课题研究过程中，参阅与引用了大量的参考文献，在论文中都一一注明，在此对这些文献作者的开拓性成果表示敬意!感谢西安理工大学机仪学院的各位领导、各位老师给予的关心和帮助!对在百忙中的各位评审老师表示感谢158 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