桨叶式液粒两相流光整加工技术方案与实验研究

发布时间：2017-10-03 18:39

  本文关键词：桨叶式液粒两相流光整加工技术方案与实验研究

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【摘要】：本课题目的在于开发研究两相流光整加工新方法。目前两相流光整工艺是利用流体相，如高压气体或高压液体在一定的空间里做强制环流运动，流体相在运动的同时会带动夹杂在流体相中的固体磨料颗粒紧贴工件表面运动，使得固相磨料颗粒能够对工件表面划擦、刻划及滚压，实现孔表面的光整加工。液固两相强制环流光整加工工艺的实施过程中，需要使用专用的加压设备产生高压流体作为动力源，并且还要使用管路进行导流，整个加工过程不方便。本文结合上述工艺在实施过程的特点进一步探究，提出桨叶式孔表面液粒两相流光整加工工艺。 论文中工艺思路来源于金属在液固两相流中冲刷腐蚀磨损的理论机理，工程中有大量液粒两相流应用问题，对于管道输运，水电站等出现液粒两相流流动现象中的管壁和水轮机，许多学者都致力于防止这些金属部件的冲蚀磨损的研究，对其做了大量理论和实验研究，对液固两相流体流动速度，冲刷角度以及固相颗粒形状、硬度进行了研究，以削弱对表层金属的冲刷腐蚀作用。因此本文中工艺实施方法就是加快金属在液固两相流中的冲刷腐蚀，同时参照生产实践应用中桨叶式搅拌机的使用原理，提出一种桨叶式液粒两相流光整加工技术方案，该工艺的具体实施方法是使用叶轮旋转来带动置于液体里固体颗粒紧贴工件孔表面划擦、刻划及滚压对其表面光整加工。 本文首先对流体相中固体颗粒对金属壁面冲刷腐蚀机理进行阐述，接着对液粒两相流光整加工工艺的工作原理以及固相磨料颗粒对工件壁面的光整加工的作用机理进行分析，并且对固体颗粒在流体相中的运动轨迹和受力情况做出解析。 利用FLUENT对工作区域流场进行仿真模拟，分别对不同叶片数的叶轮，不同叶轮转速、工件内孔直径的单项流流场进行仿真，对流场中位置点的总速度、轴向速度、径向速度和圆周速度以及流场中压力场的分布情况进行对比分析，得出结论：在工艺中较适宜使用三叶片叶轮；在一定转速范围内，转速越高，流场流体速度越大，对壁面动压力越大；对特定外径的叶轮其能应用于孔的直径范围有限。对液固两相混合流场进行仿真，结果显示，靠近叶轮位置处磨料颗粒运动剧烈，对壁面作用力较强。 最后对直径为Φ130mm的45#钢管进行光整加工实验，得到不同叶轮转速，磨料颗粒材料及尺寸大小对加工效果的影响情况，通过对比发现：在一定转速范围内叶轮主轴转速越高，，光整效率越高，获得表面粗糙度Ra值越小；氧化铝材质的磨料颗粒加工效果要优于碳化硅材质的磨料颗粒；粒径小的磨料加工获得表面质量优于粒径大的磨料加工后获得表面。
【关键词】：光整加工 液固两相流 叶轮 FLUENT仿真
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG664
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 表面光整加工技术概述12-14
• 1.2.1 表面光整加工技术的定义12
• 1.2.2 表面光整加工技术的目的及特点12-13
• 1.2.3 表面光整加工技术发展方向13-14
• 1.3 孔表面光整加工研究现状14-19
• 1.3.1 磁性磨料光整加工孔表面工艺14-16
• 1.3.2 磨料流光整加工16-17
• 1.3.3 磨料水射流光整加工17-18
• 1.3.4 两相流光整加工18-19
• 1.4 液粒两相流概述19-21
• 1.4.1 两相与多相流的定义与分类19-20
• 1.4.2 两相流的基本方程20-21
• 1.5 本课题研究内容21
• 1.6 本章小结21-23
• 第二章 液粒两相流光整加工理论分析23-31
• 2.1 液粒两相流光整工艺的提出23-26
• 2.1.1 流体力学因素对金属冲刷磨损的影响机制23-25
• 2.1.2 桨叶式搅拌的研究现状25
• 2.1.3 技术方案的提出25-26
• 2.2 液粒两相流孔表面加工原理26-28
• 2.2.1 微量磨削作用27
• 2.2.2 碰撞刻划作用27-28
• 2.3 磨料颗粒受力及运动分析28-30
• 2.3.1 磨料颗粒的受力分析28-29
• 2.3.2 磨料颗粒的运动分析29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 液粒两相流光整加工仿真及模拟分析31-59
• 3.1 FLUENT 软件介绍31-33
• 3.2 不同叶轮结构流场仿真33-45
• 3.2.1 叶轮结构的构建33-34
• 3.2.2 流场结构构建34
• 3.2.3 流场网格划分及边界条件设置34-35
• 3.2.4 三种流场单相流模拟35-37
• 3.2.5 结果后处理37-45
• 3.3 不同参数的单相流的数值模拟研究45-52
• 3.3.1 叶轮主轴转速对液流运动的影响45-49
• 3.3.2 叶轮与工件间间隙对液流运动的影响49-52
• 3.4 三叶片叶轮液粒两相流的数值模拟仿真52-57
• 3.4.1 磨料为Φ5mm 碳化硅的两相流仿真52-56
• 3.4.2 磨料为Φ5mm 碳化硅与Φ3mm 碳化硅两相流仿真比较56-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第四章 液粒两相流光整加工实验验证59-69
• 4.1 实验目的及准备59-60
• 4.1.1 实验设备及工件59-60
• 4.1.2 磨料选取60
• 4.1.3 液粒两相流体制备60
• 4.2 液粒两相流光整加工不同参数实验研究60-68
• 4.2.1 工艺合理性实验验证60-62
• 4.2.2 不同磨料材质的加工效果的影响62-64
• 4.2.3 不同主轴转速对加工效果的影响64-66
• 4.2.4 不同大小磨料颗粒对加工效果的影响66-68
• 4.3 本章小结68-69
• 第五章 总结与展望69-71
• 5.1 总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-77
• 攻读硕士期间发表论文77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周国忠,聂毅强,包雨云,施力田,王英琛;搅拌槽内非牛顿流体流动场的数值模拟[J];北京化工大学学报(自然科学版);2002年04期

2 丁一刚 ,王慧龙 ,郭兴蓬 ,郑家q

本文编号：966092