[发明专利]一种基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流场分析方法

说明书

本发明公开了一种基于耦合模型的磨粒流场分析方法，包括以下步骤：(1)建立并求解面向磨粒流加工的流体相控制方程组；(2)根据步骤(1)的求解结果，通过DEM理论求解磨粒运动方程；(3)根据磨粒运动方程，更新磨粒在流道中的位置，并求解新的体积分数以及磨粒受到的作用力；(4)结合新的流体体积分数以及磨粒受到的作用力，将其代入到步骤(1)中开始新一轮的计算；依照上述计算过程，不断循环更新每个磨粒的速度和位置，进而演化整个磨粒流加工系统，得到磨粒流运动规律。本发明将计算流体力学模型与离散元理论模型相结合的方法引入到磨粒流加工领域，能够实现对磨粒运动的精确分析，进而实现对磨粒流加工工艺参数的准确调控。

技术领域

本发明涉及精密光整加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流场分析方法。

背景技术

精密光整加工技术是现代工业发展的重要支撑技术。其中，基于流体的磨粒流加工技术由于使用了柔性性良好的流体，使其在某些加工场合中具有无可比拟的优势。传统的磨粒流加工总体上可以分为两类，一类是使用强粘度流体进行挤压加工的传统挤压磨粒流加工技术，如挤压珩磨；另一类则是使用弱粘度或无粘度流体的磨粒流加工技术，如磨粒射流加工、弹性发射抛光、浮法抛光、化学机械抛光以及磁流变抛光等。磨粒流加工技术从本质来上均是通过流体驱动磨粒颗粒，使得磨粒颗粒不断冲击作用于工件的待加工表面，以此实现工件的光整加工。虽然磨粒冲击碰撞工件是一个基本的加工过程，但却是一个高度非线性行为。不同的流体物理特性(如流体相粘度、密度)、不同的颗粒尺寸大小以及不同的流道结构，均会影响磨粒运动。如何精确分析磨粒运动，从而准确得出磨粒流场运动规律，以实现能够对磨粒流加工工艺参数的精密调控，是目前磨粒流加工领域中亟待解决的技术难题。

目前有诸多科技人员研发了多种基于计算流体力学(Computational FluidDynamics,CFD)模型分析的调控方法。总体分为两类：离散相(Discrete Phase Model,DPM)模型以及欧拉-欧拉双流体模型。但基于该两类模型的调控方法均存在一定缺陷，其中采用DPM模型的调控方法将磨粒视为无体积质点，无法处理磨粒与工件碰撞运动，只能得出在流体驱动下的磨粒运动过程，精度受到限制；而采用欧拉-欧拉双流体模型的调控方法将磨粒相视为连续流体相，故借助该方法能得出工件表面大致的磨粒分布状态，从而估计工件表面加工强弱区域，但是无法得出磨粒运动过程。因此，研发一种能真正意义上考虑磨粒的物理存在，同时能考虑到磨粒-工件碰撞运动的分析方法，是一件非常有实际意义的工作。因此本发明通过将离散元模型(Discrete Element Method,DEM)引入到CFD模型中，通过数值求解技术，建立一种基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流加工控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有磨粒流加工中难以对磨粒流运动进行精确分析，进而难以精确调控加工工艺参数的不足，提供了一种将离散元模型引入到CFD模型中，通过数值求解技术建立的能够有效分析整个流场内磨粒流运动，进而实现对磨粒流加工精确控制的基于耦合模型的磨粒流场分析方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于CFD-DEM耦合模型的磨粒流场分析方法，主要包括如下步骤：

(1)建立并求解面向磨粒流加工的流体相控制方程组：在CFD-DEM耦合策略分析中，磨粒采用DEM理论建模并视为真正的离散磨粒存在，流体相和磨粒之间不存在质量传递；假设由磨粒占据后，流体网格单元中流体相剩余的体积分数为α_l，磨粒受到的作用力为磨粒受到的平均作用力为S，由此得到CFD-DEM耦合框架下的流体相控制方程组为：

其中，ρ_l与分别为流体相的密度及速度；

为液相应力-应变张量，表达式如下：