双腔室自激振荡磨粒流脉冲特性形成机理研究

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鉴于目前没有行之有效的方法对光学器件、模具、汽车、航天航空等领域中存在的型腔内表面进行有效加工等问题,本论文提出了一种新型抛光方法:双腔室自激振荡磨粒流脉冲特性抛光,简称双腔室自激振荡磨粒流抛光,是在流体的自激振荡特性与软性磨粒流的基础上发展起来的,适用于腔体、管道的内表面以及微小孔内表面抛光的。本论文主要从自激振荡脉冲特性产生的基本原理、材料去除机理、影响自激振荡脉冲特性的因素等等几个方面对双腔室自激振荡磨粒流流抛光技术进行了流场的数值仿真模拟以及实验验证等研究工作。研究内容如下:(1)以流体动力学、流体共振理论等流体力学知识为基础,从理论上阐述了自激振荡脉冲特性产生的原理;推导并分析了双腔室自激振荡磨料流抛光中的材料去除机理,得出了自激振荡磨粒流抛光的材料去除模型;确定了脉冲特性抛光方法的材料去除的影响因素(抛光液的流速、湍流强度、流道内壁面剪切力以及磨粒的浓度、粒度等);利用流体网络理论构建了相似网络模型,推导了自激振荡磨料流脉冲特性的脉冲频率特性的公式表达式,确定了影响脉冲特性强度产生的振荡腔体结构参数;分析选择了用以数值模拟仿真的磨粒流运动状态的动力学模型,修正了数值仿真计算过程中所用到的湍流模型,并选择加入了空化模型,研究低压大流量自激振荡脉冲特效产生的机理。(2)通过Fluent软件对单双腔室自激振荡特性进行数值仿真分析,理论上验证了自激振荡脉冲特性磨料流抛光方法的有效性;利用数值分析对自激振荡腔体的结构参数进行了优化,确定了当d2/d1=1.6,d3/d2=1.6时,L1/D1=0.5,L2/D2=0.5时,?为60°时自激振荡脉冲效应最强;通过数值模拟确定了在本文仿真条件中d1=6 mm,d2=9.6 mm,d3=15.36mm,L1=40 mm,L2=50mm,D1=80 mm,D2=100mm,α=60°为最优的自激振荡腔体结构参数;仿真并分析了工艺参数(入口速度、入口压力、磨粒浓度和磨粒粒径)对于湍流强度和壁面剪切力的影响情况;对速度、湍流强度和壁面剪切力的衰减情况进行研究分析。(3)根据抛光实验的要求,设计并制造了两个不同结构参数的自激振荡发生装置,完成了整个双腔室自激振荡磨粒流抛光实验平台的搭建。根据压力波动监测实验明确了自激振荡磨粒流抛光的有效性,且双腔室的抛光结果要明显优于单腔室。通过对不锈钢钢管的内壁面抛光实验进行研究分析,在双腔室自激振荡的情况下,下喷嘴出口处的不锈钢管内壁的表面粗糙度在加工10个小时后从452nm降到了42 nm,而在只有单级振荡腔的前提下,下喷嘴出口处的不锈钢管内壁的表面粗糙度降到45nm左右竟用了12个小时,验证了双腔室自激振荡抛光的有效性和可行性。(4)通过双腔室自激振荡磨粒流抛光工艺实验,验证了材料去除模型中各个工艺参数对于加工效果的影响,从本实验结果得到的对粗糙度Ra变化值影响显著性由大到小依次是入口速度、入口压力、磨粒浓度以及磨粒粒径。
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