CC BY
17
УДК 62-9
А.В. Виноградов
магистрант,
кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.В. Курненков
ассистент,
кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.Ю. Шурыгин
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ОПЕРАЦИЯХ ШЛИФОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
Аннотация. В работе представлены результаты моделирования методом конечных элементов процесса очистки смазочно-охлаждающей жидкости на операциях шлифования с применением программного продукта ANSYS Fluent. При этом получены: распределение скоростей потока, траектории движение частиц в потоке жидкости и в воздушной среде в зависимости от величины их диаметра от 1 до 100 мкм.
Ключевые слова: смазочно-охлаждающая жидкость, очистка, вычислительная гидродинамика, метод конечных элементов, свободная поверхность.
A.V. Vinogradov, Arzamas Polytechnical Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev
A.V. Kurnenkov, Arzamas Polytechnical Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev
A.Yu. Shurigin, Arzamas Polytechnical Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev
COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS ANALYSIS OF COOLANT CLEANING PROCESS ON GRINDING
OPERATIONS
Abstract. This paper presents the results of finite element modeling of coolant cleaning process on grinding operations with software ANSYS Fluent. The simulation result obtained: distribution of flow velocities, particle tracks in liquid film flow and air as a function of their diameter from 1 to 100 microns.
Keywords: coolant, cleaning, computational fluid dynamics, finite element method, free surface.
Очистка смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) от шлама (мелкодисперсных продуктов обработки материала заготовки и износа шлифовального инструмента) на операциях шлифования позволяет обеспечить требуемое качество обработки. Для очистки СОЖ используют различные устройства. В данной работе выполнялось моделирование процесса очистки СОЖ с применением установки [1; 2], в основе работы которой используется тонкопленочное течение и центробежное поле, создаваемое вращающимся ротором. Основными технологическими параметрами работы установки являются угловая скорость вращения ротора и расход жидкости.
Модель процесса очистки СОЖ от частиц примесей с применением разработанной установки включает в себя модель движения жидкости со свободной поверхностью в поле центробежных сил и движения частиц в жидкости и воздушной среде [3]. Режим течения жидкости на поверхности ротора является волновым и, как следствие, формирует переменную толщину потока [4].
Рисунок 1 - Конечно-элементная модель Рисунок 2 - Схема задания граничных условий
В качестве решателя при моделировании использовался ANSYS Fluent. Задача решалась в двумерной осесимметричной постановке. Расчетная область включает область тонкоплёночного течения жидкости по поверхности ротора с минимальным размером элемента 5 мкм и область движения частиц в воздушной среде с размером элемента 250 мкм. Конечно-элементная модель, представленная на рисунке 1, содержит 38603 элементов при ортогональном качестве сетки 0,93. При выборе алгоритма решения поставленной задачи выбран сопряженный решатель по давлению Pressure Based Coupled. Задача решалась в нестационарной постановке с шагом по времени 0,00001 с.
При моделировании многофазных потоков со свободной поверхностью [4] выбрана модель свободной поверхности Volume of Fluid, а также явная схема дискретизации по времени. В качестве модели вязкости выбрана основная двухпараметрическая модель турбулентности Realizable k-e. В качестве рабочей жидкости была выбрана вода (поверхностное натяжение 0,072 H/м, плотность 1000 кг/м3). Для моделирования движения частиц размерами 1, 10, 20, 40, 50 и 100 мкм в жидкой и воздушной средах использовалась модель Discrete Phase Model. Плотность частиц принималась равной 3500 кг/м3. Динамика частиц моделировалась в стационарной постановке. Схема задания граничных условий представлена на рисунке 2. Значение скорости на входе - 2 м/с, что соответствует расходу жидкости 5 л/мин, статическое давление на выходе - 0 Па. Величина угловой скорости вращения ротора задавалась равной 300 рад/с, шероховатость поверхности ротора - 6,3 мкм, контактный угол смачивания жидкости с поверхностью ротора - 60°.
а)
б)
в) г)
Рисунок 3 - Поля распределения скоростей потока а - осевая скорость; б - радиальная скорость; в - тангенциальная скорость; г - результирующая скорость
Распределение осевой, радиальной, тангенциальной и результирующей скоростей потоков жидкости и воздуха, отображённое в сечении расчетной области, представлено на рисунках 3 а, б, в, г соответственно. Наибольшие значения результирующей скорости около 20 м/с наблюдаются ближе к основанию ротора, что свидетельствует об отрыве потока жидкости (рис. 3г). Поле распределения осевой скорости (рис. 3а) позволяет наблюдать завихрения потока воздуха. Максимальное значение радиальной скорости составляет 7 м/с (рис. 3б).
Результаты моделирования, представленные на рисунке 4, позволяют проследить траектории движения частиц различных размеров. Красным цветом отображены траектории частиц в потоке жидкости, синим - в воздухе, светлый участок отображает прохождение границы раздела фаз. На траектории частиц размерами 10, 20, 40 и 50 мкм значительное влияние оказывают прилегающие воздушные потоки и завихрения в соответствии с рисунком 3. Частицы размером 1 мкм из потока жидкости не извлекаются.
д) е)
Рисунок 4 - Траектории движения зерен разных размеров: а - 100 мкм; б - 50 мкм; в - 40 мкм; г - 20 мкм; д - 10 мкм; е - 1 мкм
Таким образом, проведенное моделирование гидродинамических процессов на основе метода конечных элементов позволило оценить тонкость очистки СОЖ на разработанной установке, за которую принимается минимальный размер извлекаемых частиц; она составила 10 мкм. Эта величина вполне приемлема при очистке СОЖ на операциях шлифования таких материалов как сталь, но требует дальнейшего улучшения при шлифовании материалов, таких как стекло и керамика.
Список литературы:
1. Глебов В.В., Шурыгин А.Ю., Сорокин В.М., Помелов Н.А. Установка для классификации зерен абразивного материала: Пат. 2513936 (РФ). 2014
2. Разработка конструкции установки для очистки СОЖ с применением программы Ргоепдтеег / В.В. Глебов, А.Ю.Шурыгин, Н.А. Помелов, А.В. Курненков, О.М.Колганова // Казанская наука. 2010. № 10. С. 106-108.
3. Расчет основных технологических параметров процесса отделения абразивной фракции из СОЖ центрифугированием / В.В. Глебов, В.П. Пучков, В.М. Сорокин, А.Ю. Шурыгин // Справочник. Инженерный журнал. 2006. № 1. С. 9-13.
4. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров установки очистки СОЖ на гидродинамическую устойчивость потока на основе конечно-элементного моделирования / А.В. Курненков, В.В. Глебов, А.Ю.Шурыгин // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 2. С. 104-107.
