[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流場(chǎng)分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610916446.8
• 申請(qǐng)日: 2016-10-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106598912B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 計(jì)時(shí)鳴;葛江勤;譚大鵬;袁智敏;鄭晨亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/11
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/11;G06F30/23;G06F30/28;G06T17/20;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 杭州浙科專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于耦合模型的磨粒流場(chǎng)分析方法，包括以下步驟：(1)建立并求解面向磨粒流加工的流體相控制方程組；(2)根據(jù)步驟(1)的求解結(jié)果，通過(guò)DEM理論求解磨粒運(yùn)動(dòng)方程；(3)根據(jù)磨粒運(yùn)動(dòng)方程，更新磨粒在流道中的位置，并求解新的體積分?jǐn)?shù)以及磨粒受到的作用力；(4)結(jié)合新的流體體積分?jǐn)?shù)以及磨粒受到的作用力，將其代入到步驟(1)中開(kāi)始新一輪的計(jì)算；依照上述計(jì)算過(guò)程，不斷循環(huán)更新每個(gè)磨粒的速度和位置，進(jìn)而演化整個(gè)磨粒流加工系統(tǒng)，得到磨粒流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明將計(jì)算流體力學(xué)模型與離散元理論模型相結(jié)合的方法引入到磨粒流加工領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)磨粒運(yùn)動(dòng)的精確分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒流加工工藝參數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)控。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密光整加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，尤其涉及一種基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流場(chǎng)分析方法。

背景技術(shù)

精密光整加工技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要支撐技術(shù)。其中，基于流體的磨粒流加工技術(shù)由于使用了柔性性良好的流體，使其在某些加工場(chǎng)合中具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的磨粒流加工總體上可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是使用強(qiáng)粘度流體進(jìn)行擠壓加工的傳統(tǒng)擠壓磨粒流加工技術(shù)，如擠壓珩磨；另一類(lèi)則是使用弱粘度或無(wú)粘度流體的磨粒流加工技術(shù)，如磨粒射流加工、彈性發(fā)射拋光、浮法拋光、化學(xué)機(jī)械拋光以及磁流變拋光等。磨粒流加工技術(shù)從本質(zhì)來(lái)上均是通過(guò)流體驅(qū)動(dòng)磨粒顆粒，使得磨粒顆粒不斷沖擊作用于工件的待加工表面，以此實(shí)現(xiàn)工件的光整加工。雖然磨粒沖擊碰撞工件是一個(gè)基本的加工過(guò)程，但卻是一個(gè)高度非線(xiàn)性行為。不同的流體物理特性(如流體相粘度、密度)、不同的顆粒尺寸大小以及不同的流道結(jié)構(gòu)，均會(huì)影響磨粒運(yùn)動(dòng)。如何精確分析磨粒運(yùn)動(dòng)，從而準(zhǔn)確得出磨粒流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)能夠?qū)δチＡ骷庸すに噮?shù)的精密調(diào)控，是目前磨粒流加工領(lǐng)域中亟待解決的技術(shù)難題。

目前有諸多科技人員研發(fā)了多種基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational?FluidDynamics,CFD)模型分析的調(diào)控方法。總體分為兩類(lèi)：離散相(Discrete?Phase?Model,DPM)模型以及歐拉-歐拉雙流體模型。但基于該兩類(lèi)模型的調(diào)控方法均存在一定缺陷，其中采用DPM模型的調(diào)控方法將磨粒視為無(wú)體積質(zhì)點(diǎn)，無(wú)法處理磨粒與工件碰撞運(yùn)動(dòng)，只能得出在流體驅(qū)動(dòng)下的磨粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程，精度受到限制；而采用歐拉-歐拉雙流體模型的調(diào)控方法將磨粒相視為連續(xù)流體相，故借助該方法能得出工件表面大致的磨粒分布狀態(tài)，從而估計(jì)工件表面加工強(qiáng)弱區(qū)域，但是無(wú)法得出磨粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此，研發(fā)一種能真正意義上考慮磨粒的物理存在，同時(shí)能考慮到磨粒-工件碰撞運(yùn)動(dòng)的分析方法，是一件非常有實(shí)際意義的工作。因此本發(fā)明通過(guò)將離散元模型(Discrete?Element?Method,DEM)引入到CFD模型中，通過(guò)數(shù)值求解技術(shù)，建立一種基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流加工控制方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有磨粒流加工中難以對(duì)磨粒流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確分析，進(jìn)而難以精確調(diào)控加工工藝參數(shù)的不足，提供了一種將離散元模型引入到CFD模型中，通過(guò)數(shù)值求解技術(shù)建立的能夠有效分析整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)磨粒流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磨粒流加工精確控制的基于耦合模型的磨粒流場(chǎng)分析方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：一種基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流場(chǎng)分析方法，主要包括如下步驟：

(1)建立并求解面向磨粒流加工的流體相控制方程組：在CFD-DEM耦合策略分析中，磨粒采用DEM理論建模并視為真正的離散磨粒存在，流體相和磨粒之間不存在質(zhì)量傳遞；假設(shè)由磨粒占據(jù)后，流體網(wǎng)格單元中流體相剩余的體積分?jǐn)?shù)為α_l，磨粒受到的作用力為磨粒受到的平均作用力為S，由此得到CFD-DEM耦合框架下的流體相控制方程組為：

其中，ρ_l與分別為流體相的密度及速度；

為液相應(yīng)力-應(yīng)變張量，表達(dá)式如下：