准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真毕业设计

大 学 届 毕 业 论 文第 1 页 共 65 页大 学 届 毕 业 论 文第 2 页 共 65 页毕 业 论 文准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月机械设计制造及其自动化大 学 届 毕 业 论 文第 3 页 共 65 页准干式深孔加工排屑装置的改进与仿真摘要：在现代机械制造业中深孔加工有着广泛的应用，但以前的深孔加工都采用大量的切削液或者切削油来达到润滑、冷却、排屑的目的，由于现在人们对环境的要求越来越高，以往的深孔加工方式的弊端也逐渐暴露了出来，对环境污染大，工人工作环境恶劣，对资源的浪费也很大。鉴于这种现状，准干式深孔加工便应运而生，其相对于以往的深孔加工方式有着明显的优势，相对于干式深孔加工又便于实现。本文以 DF 系统为研究对象，就负压抽屑这一块进行研究，力争能找到一种合适的能增加负压效果的装置。并用流体仿真软件 fluent 进行仿真，模拟改进后的负压效果，并与之前作比对。关键词：准干式，DF 系统，负压抽屑，仿真大 学 届 毕 业 论 文第 4 页 共 65 页The improvement and simulation of hole quasi-dry processing chip deviceAbstract:DeepProcessinghasbeen widelyused in the modern machinery manufacturing industry .However, Deep Processing of the former are used a lot of cutting fluid or cutting oil to achieve the purposes of lubrication, cooling, chip removal.Because people have become increasingly demanding on the environment,the disadvantages of the past Deep Processing methods are gradually exposed,environment pollution，the bad working environment of workers,a great waste of resources.In view of this situation，Hole quasi-dry processing have come into being,which relative to the previous processing methods have a distinct advantage,and easier to achieve deep Relative to the dry processing.In this parpers DF system is the object of study ,research on the negative pressure pumping crumbs.Strive to find a suitable device can increase the negative pressure effects.Then use fluent to simulate the negative pressure effect of the improved and compared with the previous effect.Keywords:Quasi-dry,DF system,Negative pressure pumping crumbs,emulation1. 绪论 .11.1 目的和意义 11.2 深孔加工特点 21.3 国内外深孔加工技术发展的动态 31.3.1 国外深孔加工技术发展的动态 .31.3.2 国内深孔加工技术发展的动态 .41.3.3 准干式深空加工发展状况 .5大 学 届 毕 业 论 文第 5 页 共 65 页1.4 本课题的来源及主要研究的内容 81.4.1 课题的来源 .81.4.2 主要研究内容 .81.5 本课题的创新点 82 常用的深孔加工系统 92.1 枪钻系统 92.2 BTA 系统 .92.3 喷吸钻系统 .102.4 DF 喷吸钻系统 .112.5 各深孔加工系统的比较分析 122.6 DF 结构流体特性方程推导 133 利用 FLUENT 对 DF 系统进行仿真研究 203.1 Fluent 软件的介绍 203.2 DF 系统的结构参数 223.3 利用 Fluent 对 DF 系统进行仿真研究 234 对仿真结果进行对比研究 294.1 内部压力的对比 294.2 速率对比 344.3 湍流动能的对比 394.4 湍流强度的对比 444.5 结论 495 对抽屑装置改进 505.1 结构改进 .505.2 改进前后抽屑效果比对 .515.3 结论 .546 结论与展望 556.1 结论 556.2 发展与展望 55致 谢 59大 学 届 毕 业 论 文第 6 页 共 65 页1. 绪论1.1 目的和意义深孔加工是机械制造技术中的难点之一。据有关资料统计，在机械制造行业中孔加工占全部机械加工的三分之一多，而深孔加工又占到 40%以上。 12由于深孔加工的特殊性从而形成了其经典难题，排屑难、冷却难、润滑难、工具系统刚度低。这些问题长期困扰着深孔加工行业，他们限制了深孔加工的工艺范围，也限制了深孔加工理论及技术向其它领域拓展的能力，使深孔加工成为制造技术门类中成本最昂贵的技术之一。而深孔钻削加工系统是结合干式切削技术和深孔加工技术的二者的优点而进行深孔钻削的一种新型机加工方法。深孔由于其超大的长径比，以及加工时的封闭和半封闭状态，决定了其加工过程有如下难点:（1）切削散热难， （2）工艺系统刚性差， （3）排屑难。而且随着科学技术的进步，产品的更新换代的迅速，新型高强度、高硬度、难加工零件的不断出现，对深孔加工的质量、加工效率和刀具的耐用度都提出了更高要求。而绿色制造也是制造业的必走之路。大量切削液造成的负面影响更加突出地呈现在人们的面前：1、零件的生产成本大幅度提高随着切削用量的成倍增大，切削液的消耗量也大幅提高，因而它在零件制造成本中所占的比例也大大增加。据最新调查资料，在零件加工的总成本中，切削液费用约占 16%，而刀具的费用只占成本的 4%。这个统计分析数据不得不引起人们的高度重视，因为在当今日益激烈的市场竞争中，降低产品的生产成本和销售价格，已成为企业生存与发展的重要因素。2、造成对环境的严重污染切削液是机械加工工业对自然环境造成污染的根源。如把大量未经处理的切削液排入江河湖海就会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境，不利于可持续发展战略的实施。严厉的环保法规迫使诸多机械加工企业不得不花费巨资，对加工过程中产生的废液进行处理否则将被停产。大 学 届 毕 业 论 文第 7 页 共 65 页3、直接危害车间工人的身体健康目前生产中广泛使用的水基切削液或多或少都含有对人体有害的化学成分。在切削（磨削）过程中，切削液受热挥发，形成烟雾，在车间工作区常弥漫着难闻的异味。车间内潮湿的地面和污浊的空气，会引起操作工人肺部和呼吸道的诸多疾病。人手和切削液直接接触，还会诱发多种皮肤病，直接影响工人的健康。因此，准干式深孔钻削加工系统的设计是是必要的。并且准干式深孔钻削系统有以下优点：系统加工过程稳定，冷却、润滑、排屑效果良好，可获得较好的刀具耐用度和内孔表面质量，同时极大地减少了切削液的用量并降低环境污染，是一种较为理想的绿色钻削工艺系。 1291.2 深孔加工特点深孔加工与普通的孔加工相比，具有其自身的一些特点，主要表现在以下几方面：(1)从加工的切削状况看1)深孔加工处于一种封闭或半封闭的加工状态下，不能直接观察刀具的切削和走刀情况。2)切屑在深孔内，排屑路径较长，不便于排屑。3)工艺系统的刚性差。4)深孔刀具在近似封闭的装状态下工作，热量容易积累，不便于散发，磨损严重。(2)从深孔加工的运动方式看1)工件转动，刀具做进给运动。1)工件不动，刀具旋转又做进给运动。3)工件旋转，刀具也做相反方向旋转又做进给运动。4)工件做旋转运动与进给运动，刀具不动，这种形式采用不多。本论文仿真实验中采用的是深孔加工中运动方式(2)。（3)从深孔加工的排屑方式看1)外排屑式：冷却液由空心钻杆输入，经过切削区带着切屑，从被加工零件的孔和钻杆外壁间排出。2)内排屑式：冷却液由被加工零件的孔和钻杆外壁之间输入，经过切削区带大 学 届 毕 业 论 文第 8 页 共 65 页着切屑，从空心钻杆的孔中排出。两种排屑方式相比，应优先选用内排屑方式，内排屑方式中切屑不受导向块的阻碍，不易划伤已加工的孔表面，且排屑通畅，钻杆刚性高。1.3 国内外深孔加工技术发展的动态1.3.1 国外深孔加工技术发展的动态18世纪后期，由于制造的枪管和炮管要求有较精密的孔，深孔钻削加工技术随之发展起来。开始人们用扁钻进行加工，直到1860年美国发明了麻花钻，这在钻孔领域中迈出了重要的一步。尽管麻花钻是扁钻的一种改进，但还不能作为一种极好的精加工工具，加工深孔时麻花钻还有一些缺点，例如，当深度超过排屑槽长度时，麻花钻钻头需要多次从孔中退出进行多次润滑和排屑；还有麻花钻的抗扭矩性能是有限的，因此进入孔的速度低。在实践中，人们发现麻花钻的这些缺点可以通过采用自导式单刃钻孔工具来克服，在这种情况下产生了枪钻，枪钻的名称是因加工枪孔而得名的。枪钻最早是由西德、英、美国的几家工厂为军事工业制造的。后来逐渐推广到其它机器制造部门，而成为普通采用的一种加工深孔的工具，在我国枪钻称为外排屑钻孔工具。由于枪钻的钻杆为非对称形，抗扭转性能差，只能传递有限的扭矩，因而枪钻只适用于加工小孔零件。枪钻的另外一个缺点是切屑通道介于钻杆和已加工过的孔之间，易于划伤工件表面。所以，在第二次世界大战前和战争期间由于战争的需要，枪钻方式加工设备已不能满足军工生产的需要，因而在1943年在德国由毕斯涅耳研究出毕斯涅耳加工系统(即我国常称的内排屑钻孔法)，并在德国取得了专利权。此后，毕斯涅耳又经不断发展和改进，到1951一1955年见基本定型，推广应用于生产。二战后，以德国海勒公司和瑞典卡尔斯德特为主导，成立了一个以德国、瑞典、英国、法国为主要参加国的国际深孔加工协会(Boring and TrepanningAssociation)。推出了一种具有单边刃、自导向和高压切削液的内排屑深孔钻头，这就是迄今仍用于钻直径20mm以上深孔的BTA钻。与枪钻相比，BTA钻采用圆形空心钻杆和高压密封装置，将大量高压切削液输入钻杆和工件孔壁之间的间隙中，冲向切削区，除了起到冷却润滑和支撑钻杆的作用外，还带着切屑从钻杆内孔排出。它具有刚性好、精度高、效率高以及刀具系统性能好等优点。大 学 届 毕 业 论 文第 9 页 共 65 页虽然工本费用较大，但其生产效率比一般加工方法高410倍，又可取消一般精加工工序。所以总的看来，还是一种经济的加工方法。由于BTA钻系统存在密封装置制造复杂问题，为克服BTA系统存在的不足之处，1963年瑞典Sandvik公司发明了喷吸钻系统。喷吸式深孔钻(Doubletube zjectorDrills)是在内排屑深孔钻基础上发展起来的新型实心深孔加工方法。它是利用流体的喷吸效应原理，当高压流体经过一个狭小的通道(喷嘴)高速喷射时，在这股喷射流的周围形成一个低压区，可以将喷嘴附近的流体吸走。它比较巧妙的解决了BTA系统的复杂压力头及密封问题。它不需要专用的深孔钻床，只要求普通机床具有足够的功率，必要的切削速度与机床结构的稳定性就能使用。喷吸钻的特点是采用内外钻杆，冷却液通过两管之间间隙输入，其中一部分冷却液经两管之间的空间进入切削区，起润滑、冷却、排屑的作用，而另一部分冷却液通过内管上的喷口进入内管排屑通道，在排屑通道内形成一个局部真空区，对切削区冷却液和切屑产生抽吸作用。但是喷吸钻本身也存在的缺点，由于采用内外钻杆，排屑空间受到限制，所以钻削直径一般大于18mm，同时冷却润滑液供给方式不能控制刀杆振动，刀杆易擦伤，因而刚性与加工精度略低于BTA系统。为了补偿喷吸钻的不足，日本冶金股份有限责任公司发展了DF(Doublefeeder System)系统，DF系统在日刊机械设计1980年第4期发表以后，即为我国工程界所重视。DF系统综合了BTA系统和喷吸钻系统的优点，对双管喷吸钻去伪存精，淘汰了双管的衬管，恢复了BTA的已有简单结构，并借用了双管喷吸钻的负压抽屑机理，在钻杆末端设置产生负压作用的喷嘴，将推吸排屑加以结合，大大提高了排屑能力。DF系统在简化双管喷吸钻结构方面是一个明显的进步，但在其抽屑器设计上还不很成熟。 61.3.2 国内深孔加工技术发展的动态深孔技术在我国得到了广泛的应用，江西量刃具厂、成都工具研究所、中北大学、西安理工大学、西安石油大学、北京科技大学、大连理工学院等单位在深孔加工技术研究方面处于领先水平。广西工学院研制出了一种用于数控机床的高效深孔钻，解决了在数控机床上加工小直径深孔(12mm的深孔加工。图2-2 BTA系统2.3 喷吸钻系统喷吸钻系统主要用于内排屑深孔钻削加工。喷吸钻系统利用流体力学的喷吸效应的原理，当高压流体经过一个狭小的通道喷嘴高速喷射时，在这般喷射流的周围形成低压区。可将喷嘴附近的流体吸走。喷吸钻系统结构如图23所示，其工作原理是：切削液在一定压力作用下，由联结器上输油口进入，其中2/3的切削液向前进人内、外钻杆之间的环形空间，通过钻头柄部上的小孔流向切削区，对切削部分、导向部分进行冷却与润滑。并将切屑推人内钻杆内腔向后排出；另外l/3的切削液，由内钻杆上月牙状喷嘴高速喷入内钻杆后部，在内钻杆内腔形成一个低压区，对切削区排出的切削液和切屑产生向后的抽吸，在推、吸双重作用下，促使切屑迅速向外排出。因此，在喷吸钻钻孔时，切削液压力低而稳定，不易外泄，排屑顺畅，降低了钻削系统的密封要求，保证了钻削加工可以在较大的切削用量下进行。大 学 届 毕 业 论 文第 16 页 共 65 页图2-3 喷吸钻系统2.4 DF 喷吸钻系统DF为英文Double Feeder的缩写，原意为双进油装置，是20世纪70年代中期日本冶金有限股份公司研制出来的。它并非独创，而是将BTA方法排出切屑与喷吸钻吸出切屑的力法相结合，仅用一个钻杆完成推、吸双重作用。它同时具备了BTA系统和喷吸钻系统的优点，并克服不足，使钻削直径范围增大(最小直径可达6mm)，密封压力减小，加工精度和效率提高。DF系统需要把切削液分成两条路线分别供给授油器和联结器、如图24所示。其工作原理是：约2/3的切削液同BTA系统一样由授油器进入。并从钻杆外壁与已加上孔表面之间的环形生间到达钻头头部，并将切屑从钻杆内部推出；另外1/3的闭削液直接从钻杆联结器的负压装置进入钻杆内腔，产生一定的负压，将切削区的切削液和切屑向后抽吸，促使切屑顺利排出。DF系统深孔钻加工的孔径范围为6mm一180mm，长径比为 3050，最大可达100。但是，对于直径大于65mm的深孔，排屑效果下降，因此，DF系统比较适合于中、小直径的深孔加工。大 学 届 毕 业 论 文第 17 页 共 65 页图2-4 DF系统2.5 各深孔加工系统的比较分析(1)BTA系统和枪钻系统相比，避免了切屑由钻头和钻杆外部排出，提高了孔加工表面的质量，使得钻杆的扭转刚度和弯曲刚度增加，同时增大了排屑空间，使得排屑顺畅，也降低了供油系统提供的压力和密封装置所承受的压力。因此，BTA系统使用范围广泛，适用于深孔钻削、镗削、铰削和套料，但受到钻杆内扎排屑空间的限制。主要用于直径12mm的深孔加工。(2)喷吸钻系统与BTA系统相比，不但节省了专门的进油密封装置，而且可在专用机床和普通机床上进行高效切削。但是，由于喷吸钻是内外两根钻杆的结构，使得排屑空间受到了限制，同时负压装置的引进客服了排屑困难的缺点。然而这样的装置也有它的局限性，当孔径或孔深增大时，喷吸钻的排屑效果变差，理想的适用范围为孔径小于65mm，长径比小于50的深孔。(3)DF系统和喷吸钻系统相比，结合了BTA系统和喷吸钻系统的优点，使钻杆在切削液的包围中，减低了钻杆的振动同时也防止了刀头的振动，提高了孔的加工质量，并且在负压装置的作用下使得切屑顺利的排出，密封装置的所承受压力相对于BTA系统有明显的降低。根据实际加工的经验，DF系统比较适合于中、小直径的深孔加工。 2大 学 届 毕 业 论 文第 18 页 共 65 页2.6 DF 结构流体特性方程推导喷射泵（DF 系统的喷嘴结构）定义为：能把不同压力的两股非弹性流体相互混合，并发生能量交换，形成一股压力居中的非弹性混合流的装置，即通过射流介质的卷吸效应和紊动扩散作用，将负压流体的能量传递给被吸液体。其主要组成部分有工作喷嘴、接收室、混合室和扩散器。如图 2-5 所示。其中，负压流的压力较高，排屑流的压力较低。在工作时负压流以很大的速度 Vp 从喷嘴喷出，和排屑流进入混合室，整体速度均衡后，伴有压力的升高。进入扩散器后，压力持续升高，在出口处，混合流压力 PC 大于排屑压力 PH2224 。图 2-5 喷射泵结构示意图此结构负压的大小只能通过提高射流的能量及转换率来实现 27，表明在喷射泵的结构工艺参数为喷嘴速度 VP、喷射角 、负压流流量 QP。排屑流流量 QH以及它们之间的交互作用。 （通常在 PP和 QP选定后，调节喷嘴之间的间隙就可以改变 VP值）(1) 试验表明 28，喷嘴的间隙对负压效果影响显著，见图 2-6。大 学 届 毕 业 论 文第 19 页 共 65 页图 2-6 负压的形成与间隙的关系(2) 喷嘴角 K 的影响：由动量定理知 值太大，动量损失大； 值太小，能量得不到充分转换。喷嘴角过小会造成过多的附壁能量损失，负压流从发生到发展，要有一个过程。如果负压流未能得到充分发展，负压流能量就不能完全被利用。(3) 排屑流流量 QH对喷射效应的影响也是较大的，试验测定当固定 QP时，改变排屑流的流量 QH，调节喷射泵的最佳开度，测定图 2-2 中 A 点真空度，试验数据 28表明 QH增加，A 点的真空度变小，其根本原因在于：DF 中喷射泵中的负压流既不是自由射流中的圆射流，也不是平面射流，而是一种复杂的错流射流，负压流和排屑流形成 度角，负压流离开喷嘴射入排屑流中，排屑流收到负压流的阻挡，速度降低，压力升高，这是 QH和 QP交互作用的结果。因此，排屑流流量QH对喷射效应的影响是无法消除的（见图 2-7） 。大 学 届 毕 业 论 文第 20 页 共 65 页图 2-7 排屑流和负压流的交互作用示意DF 系统中喷射泵的喷嘴布置方式不同于图 2-5，该结构使混合室入口处速度场较复杂。但它沿轴向对称，且速度的径向分量较小，主要引起能量损失，因此，对于提高排屑能力的研究，可以只取喷嘴的水平分速度作为有效分量，其值为：(m/s) （2.1）kPVxcos21式中，VP为切削液的比容, m 3/kg;P喷嘴两端的压差；P=P P-PH;1速度系数；k喷射角。喷嘴的面积： （2.2）kSdAmsin1其中 （2.3）2/)(dm式中，d1,d2 分别为圆锥形喷嘴的大、小端直径，S 是内外喷嘴间的间隙。在喷嘴中，工作压力从 PP 到 P1=PH，从而速度从 VP 增加到 VP1，然后进入接受室，并把压力为 PH 的排屑流从接受室中吸走。图 2-1 中，选取 22 和 33 截面之间的圆柱形混合室为研究对象，以流动的方向为坐标正方向，应用动量定理：可大 学 届 毕 业 论 文第 21 页 共 65 页推导出 DF 深孔喷射泵的特性方程，为简化推导，设负压流和排屑流进入混合室之前不相混合，那么动量方程可写成：2（M PVp2+MH2VH2）-（M P+MP）V 3 = (P3-PP2)AP2+(P3-PH2)AH2 (2.4)式中MP负压流的质量流量（负压通道质量流量） ，kg/s;MH 排屑流的质量流量（排屑通道质量流量） ，kg/s;VPI、 VP211 截面、 22 截面上负压流的速度，m/s;VH222 截面上引排屑流的速度，m/s;V3 33 截面上混合流的速度，m/s;PP1、P P211 截面、22 截面上负压流的静压力，N/m 2;PH222 截面上排屑流的静压力，N/m 2;P333 截面上混合流的静压力，N/m 2;AP1、A P2负压流 11 截面、22 截面处的面积，m 2; AH2排屑流在 22 截面处的面积，m 2;2混合室的速度系数AP1工作喷嘴的出口截面面积，m 2;根据假设，取 AP1 = AP2， VPI =VP2，P P1=PP2=PH是接受室中排屑流的压力。把速度参数、流量参数、截面面积代入公式（2.4）中，导出 DF 深孔喷射泵的特性方程：=12 22 cos+ 22 - 2(232) (1+2) PCP 41HP1A3P1CAV(2.5)式中，P=P C-PH;AH2=A3-AP1;= = ;H2P1P13-3P1IA大 学 届 毕 业 论 文第 22 页 共 65 页P=P P-PH；=MH/MP 称为喷射系数；1 、 2 、 3、 4是四个速度系数；VH、V C、V P分别为排屑流、混合流和负压流的比容。式（2.5）表明，喷射泵形成的相对压力降 P C/P P是由喷射泵通流部分的主要截面比 AP1/A3、喷射泵各个部件的速度系数（ 1 、 2 、 3、 4）和分流比 喷射泵三个因素决定，而与负压流的可用压降的绝对大小 P P无关。从式（2.5）还可以看出，喷射泵的特性取决于它的通流部分的主要截面比 AP1/A3而不取决于这些截面的绝对尺寸。只要从喷嘴流出来的负压流的雷诺 Re 是处在同样的自模化区内，绝对尺寸不同而截面比相同的喷射泵是相似的。即它们具有同样的特性曲线。因此，称 AP1/A3是喷射泵的定性几何参数，它是设计中的重要参数 32 34。当 =0 时，喷射泵可形成最大相对压力降：= 12 22 cos-(2 32) （2.6）maxPCP3A3P1CAV当 3=0 时，无扩散器的喷射泵特性曲线方程为：= 12 22 cos+ 2 2 - 22 (1+2) （2.7）PP3 41HP13P1C当 P P和喷射系数 给定时，求可引起喷射泵最大压力降 P C的最佳截面比AP1/A3，令： =0。可得31AdC= （2.8）OPT13cos122 224nVVPHPCn= = （2.9）H23A1-P3大 学 届 毕 业 论 文第 23 页 共 65 页联立（2.8） （2.9）消去参数 n 得 的一元二次方程，其解为3P1A= （2.10）OPT1acb24其中 223 224223211cos PC PHPCVVba由（2.10）知，当速度系数不变时，最佳截面比 只取决于喷嘴系数OPTA13 。由计算机仿真得到的曲线如图 2-5 所示把（2.8）和（2.9）得最佳截面条件的最大相对压降（2.11）224221PCcosnVVPHPC无扩散器时最佳截面比= （2.12）OPTA13cos122242nPHC把（2.12）带入（2.5）得无扩散器相对压降= （2.13）P3224221cosnVVPHC在同样的喷射系数 下，把二者的压降相比，得大 学 届 毕 业 论 文第 24 页 共 65 页（2.14）2242 2PH242PC23C3P 11V-V- n由 ， ，可知在其他条件相同的情况下，无扩7.0lim0 3.0li 散器喷射泵形成的压降比带扩散器喷射泵形成的压降小 30%70%,所以扩散器在喷射泵结构中必不可少，而国内的传统圆锥型 DF 喷嘴结构深孔系统并没有专门的扩散器，以至于 DF 的优越性没有发挥出来，仍有不断改进的空间。图 2-5 曲线 = f()OPTA13大 学 届 毕 业 论 文第 25 页 共 65 页3 利用 FLUENT 对 DF 系统进行仿真研究3.1 Fluent 软件的介绍FLUENT 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为 60%。凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。Fluent 的软件设计基于 CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。其各软件模块包括：GAMBIT专用的 CFD 前置处理器，FLUENT 系列产品皆采用 FLUENT 公司自行研发的 Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由 Fluent 进行求解。也可以用 ICEM CFD 进行前处理，由 TecPlot 进行后处理。 FLUENT 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是 FLUENT 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；大 学 届 毕 业 论 文第 26 页 共 65 页FLUENT 软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT 软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； FLUENT 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；FLUENT 软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含 Spalart-Allmaras 模型、k- 模型组、k- 模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和 V2F 模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型。Fluent 是用于计算机流动和传热问题的程序， 。他提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。Fluent 还可以根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。Fluent 软件由以下几部分组成：（1）Gambit用于建立几何结构和网格的生成（2）Fluent用于进行流动模拟计算的求解器；（3）PrePDF用于模拟 PDF 燃烧过程；（4）0TGrid用于从现有的边界网格生成体网格；（5）Filter（Translators）转换其他程序生成的网格，用于 Fluent 计算。利用 Fluent 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图所示。首先利用Gambit 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Fluent 求解器计算的格式；然后利用 Fluent 求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。Fluent 的求解过程如图 3-1 所示：大 学 届 毕 业 论 文第 27 页 共 65 页图 3-1 Fluent 的求解过程3.2 DF 系统的结构参数喷嘴结构如图 3-2，其中 为孔径（取 =14mm） ， 是喷射角，S 是喷射间0d0d隙, ， 。单个因素只能表明某个因素对负压的影响，但是cos201Sd13L实际上影响负压的因素很多，而这种影响是通过不同的组合来体现的。因此，必须考虑因素的综合影响，从多因素角度考虑，优化出切合实际的参数。由相关资料查得其喷射间隙 S=0.30.5mm，喷射角 k=25。 90。 ，结合以往有的研究成果，在此分别对表 3-1 所列的各做进行模拟仿真对比。表 3-1 分组表第 1 组 =25 。 S=0.4mm =14.7cos201Sd=44.11d3L第 2 组 =27 。 S=0.4mm =14.7 =44.1第 3 组 =29 。 S=0.4mm =14.7cos201Sd=44.11d3第 4 组 =30 。 S=0.4mm =14.7 =44.1L第 5 组 =31 。 S=0.4mm =14.7cos201Sd=44.11d3大 学 届 毕 业 论 文第 28 页 共 65 页第 6 组 =33 。 S=0.4mm =14.7cos201Sd=44.11d3L第 7 组 =35 。 S=0.4mm =14.7 =44.1第 8 组 =29 。 S=0.5mm =14.9cos201Sd=44.71d3第 9 组 =30 。 S=0.5mm =14.9 =44.7L第 10 组 =31 。 S=0.5mm =14.9cos201Sd=44.71d3第 11 组（后喷嘴为圆滑曲线）=29 。 第 12 组（后喷嘴为圆滑曲线）=30 。 图 3-2 圆锥形喷嘴3.3 利用 Fluent 对 DF 系统进行仿真研究采用通用计算流体力学软件Fluent对DF系统中的负压装置进行力学仿真,仿真的实验条件是在不考虑有切屑的情况下,研究负压装置切削液的受力情况,建立一个与实际情况相近的数学模型，对压力场、速度场、温度场和能量场进行仿真分析。现就第二组为例简要说明仿真过程：（1） 、负压装置模型的建立大 学 届 毕 业 论 文第 29 页 共 65 页由于 gambit 几何建模的局限性和不方便，故采用 soildworks 进行三维建模，所建模型如图 3-3，并另存为*igs 格式，为下一步导入 gambit 进行网格划分打好基础。图 3-3 负压抽屑三维模型（2） 、导入 gambit 划分网格并定义边界条件将上一步保存的*igs 格式的文件导入 gambit，并进行整体网格划分，默认定义网格间距为 1，如图 3-4。大 学 届 毕 业 论 文第 30 页 共 65 页图 3-4 网格划分 指定边界类型，指定左边的面和上下的面为速度入口 VELOCITY _INLET，左边的面取名分别为 in，上下两个面取名为 in2，指定右边的面出口边界条件为充分发展OUTFLOW，取名为 out, 对其他的所有面指定为 WALL，取名为 wall。如图 3-5。图 3-5 边界类型的指定