利用 Fluent 研究喷射泵式DF系统
2018-5-16 来源：长治职业技术学院 作者：平艳玲
摘要：采用通用计算流体力学软件 Fluent 对改进后的 DF 系统（喷射泵式 DF 系统）负压装置进行力学仿真。仿真结果表明：喷射泵式 DF 系统结构的排屑能力远优于传统的圆锥形喷嘴的 DF 系统结构，并可让研究者形象直观认识两种负压装置内流体运动的力学特性。
关键词：深孔加工 DF 系统 负压装置 仿真
0、引言
DF 深孔加工系统由单管喷吸钻和双泵加油深孔两种结构组合而成。DF 系统属于深孔钻削加工系统，该系统通过喷射钻和 BTA 内排屑钻的结合而运转，在需要加工的零件断面处，设置一个油密封装置，通过推压手段控制其提供冷却液的操作，并在该装置的后部，放置一个装置使其能产生吸引力，使冷却液在这两种力的双重作用下加速流动，流量加大，增强排屑力。针对小直径深孔钻削加工类操作时，特别是加工性差和难断屑类材料的加工过程中，该结构会十分适用且好用，同时能很方便地切屑处理。但该结构还存在众多设计上的弊端，如设计时运用先前的经验数据，未充分解释喷吸效应，设计工作缺乏理论指导，掩盖传统DF 设计优势。在本文中，重点探讨喷射泵式 DF 系统中负压装置内的力学行为，数学模型的建造等问题，并运用 Fluent 软件模拟分析两种负压装置中的切削液，使研究者进一步了解喷射泵式 DF 系统负压装置的排屑能力。
1、喷射泵式负压装置结构设计
喷射泵式负压装置的基本结构模型如图 1 所示。结构和传统 DF 系统负压装置采用同一实验条件，即双进油孔的负压抽屑装置，能够在射流前将其通道中切削液进行均压操作，以此实现均匀的圆锥形射流，保障负压效应提升；并在实现均压效果前提下，缩小均压腔空间，尽可能减少扩压能量的损耗，使负压装置体积缩小。为达到该效果，在负压装置确定前提下对模型施加外界条件，分析模型装置内液体特征，使两种结构中负压装置内的压力场、速度场、温度场和能量场中状况更完整地呈现.
图 1 喷射泵式负压抽屑装置的三维半剖图
2、几何模型与数值计算方法
在计算过程中，运用有限元法离散控制方程以及边界条件，运用 SIMPLE 算法得出压力 - 速度耦合，通过一阶迎风差分格式表示动量、湍流动能和温度场离散格式。
3、计算结果与分析
传统负压抽屑装置与喷射泵式负压抽屑装置在喷嘴处产生的最大压力值分别是 1.4MPa 和 1.6MPa，即面对相同压力出口，喷射泵式负压抽屑装置比传统的负压抽屑装置的压力增加。可以证明喷射泵式负压抽屑装置内，其前后压差越大时排屑能力也越强。
处于排屑通道出口即混合室出口时，传统负压抽屑装置和喷射泵式负压抽屑装置出口速度的最大值分别是 15m/s和 16m/s，可证明喷射泵式的负压抽屑装置能够更加充分的运用能量，从而提升排屑能力。
传统负压抽屑装置以及喷射泵式负压抽屑装置在喷嘴出口处动能分别是 550J 和 630J，即喷射泵式负压抽屑装置动能更大，从而使动能转换率更高，能够使排屑通道中的混合液体加速运动，增强排屑能力。
传统负压抽屑装置排屑通道中的最大值是 700J，喷射泵式负压抽屑装置排屑通道中的最大值是 800J，可见喷射泵式负压抽屑装置的排屑通道具有更强的混合力，从而带动排屑能力的提升。
传统负压抽屑装置以及喷射泵式负压抽屑装置在出口处的混合液温度分别处在 323.5 ～ 325.5K 与 323 ～ 324.5K，可见相同温度下，喷射泵式负压抽屑装置排出的混合液温度更低，证明了该装置具有良好的散热性能。
4、结语
本文主要建造两种负压抽屑装置和腔体内流体物理模型，使用 Fluent 软件分析腔体内流体运动特征，并对比喷射泵式的负压装置实验仿真与传统负压抽屑装置在压力场、速度场、温度场和能量场等，分析各自特性与不足。研究结果表明，相对于传统圆锥形喷嘴负压装置，配备扩散室与自由曲面的内外喷嘴结构喷射泵式负压装置具有更强的排屑能力。此外，验证 DF 系统中负压装置的巨大作用，同时为研究者进一步了解喷射泵式 DF 系统的负压装置的内流体运动特征提供相应的依据。
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