基于微量潤(rùn)滑磨削的雙噴口噴嘴霧化仿真分析

毛聰周鑫譚楊孫小麗

長(zhǎng)沙理工大學(xué)工程車(chē)輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410114

摘要：為了減小磨削時(shí)砂輪表面氣障層的影響，提高磨削液潤(rùn)滑和冷卻的效果，設(shè)計(jì)了一種雙噴口結(jié)構(gòu)的噴嘴。分析了微量潤(rùn)滑霧化機(jī)理，采用二級(jí)霧化理論建立了霧化數(shù)學(xué)模型，對(duì)雙噴口噴嘴的霧化過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：雙噴口噴嘴能有效減小霧滴直徑，提高磨削液的霧化效果；輔助噴口霧滴可以擾亂砂輪表面的空氣環(huán)流，減小氣障層對(duì)主噴口霧滴流向的影響，促使主噴口噴出的霧滴能順利進(jìn)入磨削區(qū)。

關(guān)鍵詞：噴嘴；霧化；數(shù)值仿真；微量潤(rùn)滑；磨削

中圖分類(lèi)號(hào)：TG580.15

收稿日期：2014-12-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005024，51375061)；長(zhǎng)沙市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(K1406031-11)

作者簡(jiǎn)介：毛聰，男，1975年生。長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院副教授、博士。主要研究方向?yàn)槟ハ骷庸だ碚撆c裝備、刀具材料等。獲省級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)2等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表論文30余篇。周鑫，男，1991年生。長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。譚楊，男，1990年生。長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。孫小麗，女，1987年生。長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車(chē)與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

Numerical Simulation of Atomization Performance for Double-spout Nozzle Used in MQL Grinding

Mao CongZhou XinTan YangSun Xiaoli

Key Laboratory of Safety Design and Reliability Technology for Engineering Vehicle,

Hunan Province,Changsha University of Science & Technology，Changsha，410114

Abstract:In order to reduce the impacts of gas barrier, a double-spout nozzle was proposed. The atomization mechanism of MQL was analyzed, and the mathematical model was established by two-stage atomization model. The atomization process of the double-spout nozzle was simulated to analyses the atomization properties, and experiments were carried out to verify the simulation. The results show that the structure of the double-spout can effectively decrease the diameter of droplets and improve the atomization performance. The droplets sprayed by the assistant jet can break the air barrier layer and reduce the effect of the gas barrier layer on droplet flow. Therefore, the droplets from the main jet can enter the grinding zone easily.

Key words: nozzle; atomization; numerical simulation; minimum quantity lubrication(MQL); grinding

0引言

在傳統(tǒng)的澆注冷卻磨削過(guò)程中，實(shí)際能夠進(jìn)入磨削區(qū)的磨削液較少，且進(jìn)入磨削區(qū)的磨削液受熱后會(huì)迅速汽化為蒸汽膜，阻止新的磨削液進(jìn)入高溫磨削區(qū)[1-2]，故澆注冷卻很難滿足磨削加工時(shí)冷卻的實(shí)際需求。近年來(lái)，微量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication，MQL)以其良好的潤(rùn)滑、冷卻和排屑性能以及低污染等優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3]，并已逐步在銑削[4]、鉆削[5]和車(chē)削[6]等加工領(lǐng)域得到應(yīng)用，日益受到磨削領(lǐng)域?qū)＜业闹匾昜7-9]。MQL磨削時(shí)，磨削液流量?jī)H為20～100mL/h，比傳統(tǒng)澆注冷卻磨削用量少三四個(gè)數(shù)量級(jí)[10]，具有減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。磨削液被霧化之后，其表面積急劇增大，潤(rùn)滑和換熱性能都有較大的提升。

然而，磨削過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)的砂輪表面會(huì)產(chǎn)生具有一定壓力和速度的氣障層[11]，氣障層的存在會(huì)嚴(yán)重阻礙磨削液進(jìn)入磨削區(qū)。MQL的磨削液流量極小，其穿透能力受到限制，氣障層問(wèn)題顯得尤為嚴(yán)重。因此如何將霧滴有效注入磨削區(qū)，一直是制約著MQL在磨削加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。Ebbrell等[12]發(fā)現(xiàn)，霧滴必須具備足夠的動(dòng)能才能穿透氣障層，且穿透能力與霧滴的形狀、速度、壓力、入射角和噴射距離有關(guān)?；诖?，Tawakoli等[13]研究了MQL流體入射角和噴射距離對(duì)其磨削潤(rùn)滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)調(diào)整噴嘴的噴射方向并合理布置其安裝位置能提高霧滴的穿透能力。Park等[14]研究發(fā)現(xiàn)小直徑霧滴更容易穿過(guò)氣障層。還有學(xué)者通過(guò)改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)來(lái)減小氣障層對(duì)磨削液的影響，如文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)靴狀的噴嘴結(jié)構(gòu)不僅能擾亂砂輪表面快速流動(dòng)的空氣流向，還能增大砂輪的潤(rùn)滑區(qū)域。

筆者提出了一種雙噴口結(jié)構(gòu)的噴嘴結(jié)構(gòu)，旨在通過(guò)采用合理的噴嘴結(jié)構(gòu)來(lái)提升磨削液霧化性能，并將霧滴沖破砂輪表面氣障層有效注入磨削區(qū)，同時(shí)分析MQL的霧化機(jī)理，建立微量潤(rùn)滑霧化數(shù)學(xué)模型，采用流體仿真技術(shù)研究該噴嘴的霧化性能，并通過(guò)霧化試驗(yàn)對(duì)數(shù)值仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1雙噴口噴嘴的結(jié)構(gòu)

圖1　雙噴口噴嘴的工作原理

雙噴口噴嘴的工作原理如圖1所示。該噴嘴包含2個(gè)噴口(主噴口和輔助噴口)。霧化后的高速霧滴通過(guò)主噴口注入磨削區(qū)，對(duì)工件進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。在主噴口前端有一輔助噴口，輔助噴口噴出具有一定角度的霧滴并率先噴射到砂輪表面，破壞砂輪周?chē)臍庹蠈樱沟媚ハ鲄^(qū)附近出現(xiàn)瞬時(shí)真空或低壓區(qū)，從而使主噴口噴出的霧滴能夠更為有效地進(jìn)入磨削區(qū)。

圖2為雙噴口噴嘴的結(jié)構(gòu)圖。磨削液管安裝在氣管內(nèi)部，兩管保持同軸。磨削液由MQL供液系統(tǒng)送入磨削液管，氣管與磨削液管之間的環(huán)形通道為高壓空氣通道，高壓空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入空氣通道，其中，空氣和磨削液的流量均可單獨(dú)控制。磨削液管端部附近沿著其徑向均布有若干小孔(位于均布小孔前端的磨削液管外表面有一圓錐面)。小孔后端的磨削液管加工有管肩。氣管出口由輔助噴口和主噴口組成，兩噴口前端的氣管內(nèi)壁有距離較長(zhǎng)的圓弧面。磨削液管中的磨削液通過(guò)徑向小孔流入氣管并與高壓氣體混合，高速空氣和低速的磨削液之間存在巨大的相對(duì)速度，在高速空氣作用下，磨削液表面會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，從而促使磨削液由珠狀轉(zhuǎn)變?yōu)槟睢Ｈ绻Σ亮ψ阋钥朔后w的表面張力，液態(tài)薄膜將會(huì)被破碎成微米級(jí)的小顆粒，從而完成磨削液的霧化。

1.氣管　2.氣體入口　3.磨削液管　4.磨削液入口　5.圓錐面　6.徑向孔　7.管肩　8.混合室　9.圓弧面　10.輔助噴口　11.主噴口 圖2　雙噴口噴嘴結(jié)構(gòu)圖

2霧化模型

由于霧化過(guò)程非常復(fù)雜，所以很難采用一種模型將連續(xù)的液相和離散的霧滴耦合。為了更好地模擬霧化的過(guò)程，本文借鑒文獻(xiàn)[16]提出的二級(jí)霧化模型，通過(guò)數(shù)學(xué)模型耦合連續(xù)相和離散相。

眾所周知，液體霧化實(shí)際上是將連續(xù)液體分裂成離散小霧滴的物理過(guò)程。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，黏性液體在外力作用下穿過(guò)氣體介質(zhì)時(shí)，首先會(huì)變成膜狀，隨著外力的增大，液膜分裂成大霧滴，隨著時(shí)間的延續(xù)而破碎成小霧滴。黏性液體表面波的增長(zhǎng)率為[17]

(σk/ρL-QU2)(tanh(kh)+Q)]1/2-2vktanh(kh)}

(1)

式中，k為干擾波的數(shù)量；h為液膜厚度一半；σ為表面張力；ρL為液體密度；Q為氣體與液體的密度比；U為液體初始速度；v為氣體與液體的相對(duì)速度。

顯然，當(dāng)表面波增長(zhǎng)率最大時(shí)，液膜開(kāi)始破裂。為了簡(jiǎn)化霧滴破碎過(guò)程，假設(shè)每個(gè)波對(duì)應(yīng)一個(gè)液膜，則有[16]

(2)

式中，dL為液膜半徑；KS為最大增長(zhǎng)率表面波的波數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，霧滴的最頻粒徑d0與液膜半徑dL及歐尼索數(shù)Oh有關(guān)，即

d0=1.88dL(1+3Oh)1/6

(3)

由于初始狀態(tài)磨削液的軸向速度很低，可用氣體速度近似為相對(duì)速度。利用上述模型可獲得磨削液的初始粒徑分布，如表1所示。

表1　理論計(jì)算的霧滴粒徑分布

上述過(guò)程確定了液體霧化的初步粒徑分布，但此時(shí)潤(rùn)滑油還處于高速不穩(wěn)定狀態(tài)，霧滴直徑較大，屬于一級(jí)霧化。高速噴出的磨削液滴會(huì)在外力作用下繼續(xù)破碎成小直徑霧滴，為了更好地模擬這一過(guò)程，采用仿真軟件對(duì)二級(jí)霧化過(guò)程進(jìn)行分析。

3數(shù)值仿真分析

3.1三維仿真模型

如圖3所示，三維仿真實(shí)體模型主要包括噴嘴、砂輪和工件。由于遠(yuǎn)離磨削區(qū)的砂輪區(qū)域?qū)F化效果影響極其微小，故建模時(shí)砂輪僅截取靠近磨削區(qū)的部分。經(jīng)過(guò)多次對(duì)比仿真，磨削液管外徑、內(nèi)徑分別定為4mm和2mm，氣管外徑、內(nèi)徑分別為8mm和6mm，磨削液管靠近端部位置徑向均布4個(gè)直徑為1mm的出液孔，輔助噴口、主噴口直徑分別為1mm和2mm。采用SolidWorks建立三維實(shí)體模型，采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為361 868。

圖3　仿真模型示意圖

3.2參數(shù)設(shè)置

根據(jù)磨削實(shí)際工況，氣體壓力設(shè)置為0.5～0.7MPa，MQL的流量設(shè)定為60mL/h。采用FLUENT軟件進(jìn)行仿真分析，氣體入口采用壓力入口，壓力分別為0.5MPa、0.6MPa和0.7MPa。磨削液入口為速度入口，根據(jù)流量換算得出磨削液的速度大小為4.16mm/s。采用油基磨削液Vascomill 10 2903-06，密度為900kg/m3，動(dòng)力黏度為0.009Pa·s。離散相參數(shù)根據(jù)第2節(jié)理論模型獲得。

3.3仿真結(jié)果與討論

圖4是壓力為0.6MPa下霧滴的速度分布云圖。由圖4可知，主噴口出口處流體的速度達(dá)到最高值140m/s時(shí)，隨著噴射距離的增加，流體逐漸呈錐形發(fā)散，流速也沿著軸線方向迅速減小。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，這是因?yàn)樵趪娚渚嚯x較短時(shí)，流體還未與周?chē)諝獍l(fā)生動(dòng)量交換，速度和流體束形狀基本保持不變。隨著噴射距離的增加，高速射流開(kāi)始卷吸周?chē)目諝獠⑴c之發(fā)生能量交換，射流外層的速度逐漸降低，內(nèi)層的速度穩(wěn)定區(qū)域也逐漸縮小，最終形成了圖4所示的錐形速度場(chǎng)。輔助噴口流體的最大速度僅為67m/s，遠(yuǎn)低于主噴口噴出的最大速度，這可能是在輔助噴口附近，霧滴的流動(dòng)方向發(fā)生突變而導(dǎo)致其能量損失所引起的。同時(shí)，輔助噴口霧滴的初始速度較小，且霧滴在噴射過(guò)程中存在速度衰減，從而導(dǎo)致輔助噴口噴出的錐形流體束明顯小于主噴口流體。但輔助噴口流體的作用主要是為了擾亂氣障層，并不需要太高的速度。

圖4　霧滴速度分布云圖

圖5所示為霧滴在不同壓力下沿著主噴口軸線方向的速度變化情況。由圖5可知，不同壓力下霧滴速度變化趨勢(shì)大體一致，即沿著主噴口軸線方向噴射速度逐漸減小，且霧滴的最大速度隨著氣體壓力的增大而增大。

圖5　霧滴沿著主噴口軸線方向的速度變化情況

圖6　二級(jí)霧化后霧滴粒徑分布云圖

圖7為不同壓力下主噴口霧滴的粒徑分布圖，由圖可知，壓力為0.6MPa時(shí)，霧滴直徑基本分布在70～110μm之間，不同粒徑所占體積百分比呈“中間大，兩頭小”的趨勢(shì)。通過(guò)比較不同壓力下的粒徑分布可知，隨著壓力的增大，霧滴粒徑變小且其分布更加集中在一定的粒徑范圍內(nèi)。其原因是，噴射壓力增大，將導(dǎo)致噴嘴內(nèi)壓縮空氣與磨削液之間的相對(duì)速度增大，從而使油霧受到高壓氣體的沖擊力增大，因此形成的霧滴直徑更小。

圖7　不同壓力下二級(jí)霧化后主噴口霧滴粒徑分布圖

3.4與傳統(tǒng)噴嘴的對(duì)比分析

如圖8所示，單口噴嘴的特點(diǎn)是磨削液在其管道軸向與高壓空氣直接混合。對(duì)兩種噴嘴在相同霧化參數(shù)下的霧化性能進(jìn)行了仿真對(duì)比，仿真時(shí)的氣體壓力均為0.7MPa，磨削液流量均為60mL/h。

圖8　單口噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖9為雙噴口噴嘴的主噴口和單口噴嘴的霧滴軸向速度曲線圖。從圖9可知，單口噴嘴的霧滴在噴口處達(dá)到最大速度205m/s，距噴嘴出口20mm時(shí)，其速度迅速衰減為50m/s。雙噴口噴嘴的霧滴在噴口處的最大速度為164m/s，比單口噴嘴的最大速度低了約20%，距噴嘴出口20mm時(shí)，速度迅速衰減為25m/s。這是因?yàn)殡p噴口噴嘴中的霧滴流經(jīng)輔助噴口時(shí)會(huì)損失部分能量，導(dǎo)致最大速度有所降低。雖然速度降低會(huì)影響流體的穿透能力，但輔助噴口噴出的霧滴束會(huì)對(duì)砂輪表面進(jìn)行沖擊，迫使砂輪表面的圓周環(huán)流、徑向流等氣流轉(zhuǎn)變方向，減小氣障層對(duì)主噴口霧滴有效注入磨削區(qū)的影響，如圖6所示，主噴口噴出的霧滴速度雖有所下降，但更能順利進(jìn)入磨削區(qū)。

圖9　兩種噴嘴霧滴軸向速度比較圖

圖10為單口噴嘴與雙噴口噴嘴的主噴口霧滴粒徑分布圖。由圖10可知，雙噴口噴嘴的霧滴平均粒徑明顯小于單口噴嘴的平均粒徑，并且霧滴粒徑的分布范圍相對(duì)集中，這表明雙噴口噴嘴比單口噴嘴更能提高磨削液的霧化性能。如圖8、圖2所示，單口噴嘴的磨削液直接由磨削液管軸向進(jìn)入混合室，雙噴口噴嘴磨削液通過(guò)均布的徑向小孔與空氣混合。顯然，從小孔流出的磨削液處于高壓氣體迎風(fēng)面，在高速空氣的剪切沖擊作用下，液體的霧化會(huì)更加充分；同時(shí)，單個(gè)小孔的磨削液流量遠(yuǎn)小于磨削液通道的流量，這也使得磨削液與高壓空氣混合得更加充分。其次，雙噴口噴嘴在小孔的前端磨削液管外表面加工有一圓錐面，高壓氣體順著圓錐面將小孔流出的磨削液吹向小孔后端的圓柱面。粘附在小孔后端圓柱面上的磨削液在氣流作用下沿著管肩向外流動(dòng)，有助于磨削液在圓柱面和管肩處膜化。磨削液與高壓空氣的接觸面積大為增加，混合得更加充分，霧滴直徑將更小，分布更加均勻。另外，雙噴口噴嘴混合室的內(nèi)壁呈圓弧面，霧滴與高壓空氣在混合室內(nèi)的接觸時(shí)間更長(zhǎng)，這也將導(dǎo)致霧滴在壓縮空氣的作用下被霧化得更小，霧滴粒徑分布也更為均勻。

圖10　兩種噴嘴霧滴粒徑分布圖

4試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的數(shù)值仿真模型的可靠性，在仿真參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)保持一致的情況下，將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[16]的微量潤(rùn)滑噴嘴霧化試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。試驗(yàn)采用的微量潤(rùn)滑系統(tǒng)為德國(guó)VOGEL外置式系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置的磨削液噴嘴結(jié)構(gòu)與第3節(jié)仿真時(shí)的單口噴嘴一致，采用Winner-312粒度分析儀對(duì)霧滴粒徑分布進(jìn)行檢測(cè)。供氣壓力均為0.7MPa，潤(rùn)滑油型號(hào)為2903-06 Vascomill 10，流量均為20mL/h，環(huán)境溫度為25℃，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與噴嘴距離均為30mm。氣體入口為壓力入口，潤(rùn)滑油入口為速度入口，通過(guò)流量換算得出磨削液速度為1.39mm/s。圖11為單口噴嘴仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果粒徑分布對(duì)比圖，由圖可知，仿真與試驗(yàn)的粒徑分布趨勢(shì)基本一致，仿真結(jié)果中粒徑為140μm左右的霧滴所占的體積分布最大；而試驗(yàn)結(jié)果中，體積分布最大時(shí)的霧滴粒徑為130μm，兩者霧滴粒徑誤差小于10%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，霧滴粒徑為50～100μm時(shí)，仿真獲得的體積分布與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好；霧滴粒徑為150～200μm時(shí)，仿真獲得的體積分布與實(shí)驗(yàn)值存在一定偏差，其原因主要是在實(shí)際霧化過(guò)程中，霧滴粒徑越大，其受外界環(huán)境的影響更大。試驗(yàn)對(duì)比表明，二級(jí)霧化模能有效地反映實(shí)際霧化情況，說(shuō)明雙噴口噴嘴分析結(jié)果是可靠的。

圖11　仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

5結(jié)論

(1)相同工況下，雙噴口噴嘴的霧化效果要優(yōu)于單口噴嘴。雙噴口噴嘴采用側(cè)混式結(jié)構(gòu)，使氣液兩相混合更充分，能有效減小霧滴直徑，并使霧滴直徑分布更為均勻。

(2)雙噴口結(jié)構(gòu)輔助噴口噴出的霧滴束會(huì)對(duì)砂輪表面進(jìn)行沖擊，破壞砂輪表面氣障層，減小磨削時(shí)砂輪氣障層的影響，使得主噴口噴出的霧滴能更有效地進(jìn)入磨削區(qū)。

在Simulink仿真環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)軌跡追蹤器的建模仿真，并給定外部輸入的參考軌跡Xd如圖8。

(3)采用微量潤(rùn)滑霧化試驗(yàn)獲得的霧滴粒徑分布與仿真結(jié)果基本一致，說(shuō)明二級(jí)霧化模型正確可靠。

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(編輯張洋)