功率超声珩磨区单空泡运动特性分析

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功率超声珩磨以湿式加工为主,在加工过程中珩磨区会产生空化效应。空化效应产生的大量空化泡在崩溃时会产生压力冲击波和微射流,将对工件加工精度以及材料去除产生一定的影响。本论文以功率超声珩磨磨削区单空化泡为研究对象,从空泡动力学、超声珩磨加工的角度出发,应用空泡动力学、流体力学、振动理论等方法,利用理论分析、数值模拟以及实验验证等手段,对珩磨磨削区的空泡动力学,空泡溃灭时的形态以及空泡溃灭形成的高速微射流和冲击波进行了研究,这为进一步研究功率超声珩磨机理提供了一定的理论和试验基础,并为进一步提高超声珩磨的加工精度提供了可能。  本论文的主要研究工作和结论如下:  1.以功率超声珩磨磨削区单空泡为研究对象,从空泡动力学、超声珩磨加工的角度出发,应用空泡动力学、流体力学、振动力学等方法,引入范德瓦尔斯方程的体积常数以及分子间的引力参数建立了功率超声珩磨磨削区实际气体的单空泡动力学方程。在此基础上推导出了共振频率方程以及空泡溃灭时的最大压强方程。  2.利用Matlab软件,分析了超声频率、空泡初始半径、声压幅值、初相位等因素对空化泡的动力学规律的影响。仿真分析得出:随着超声频率的增加,空化效应减弱,当超声频率过大时不再发生空化效应;空泡初始半径在10-1~101数量级时空化效应显著;随着声压幅值的减小,空化效应减弱,当小于空化阈值时,空化效应不再发生;初相位影响着空泡的初始受压情况,从而对空化效应也产生较大影响。  3.利用Fluent软件VOF模型对无限远场中的单空泡进行了数值模拟。模拟得:空泡在无限远场中由于压差的存在先收缩、膨胀、振荡最后崩溃;空泡在溃灭的过程中存在一个较大的速度脉冲和压力脉冲,分别为102m/s和101MPa数量级,且总是先达到最大速度,然后达到最大压力;空泡在初始半径R0在10-1~101μm数量级时,空泡的速度脉冲和压力脉冲都较大,空化效应明显,且在此数量级时,空泡相对体积的极小值为0.2~0.3之间,达到极小值时的时间在tT0=0.04附近。  4.利用Fluent软件 VOF模型对固壁附近的单空泡进行了数值模拟。模拟得:由于空泡内外压差及刚性壁面的存在,空泡溃灭时空泡向刚性壁面凹陷并贯穿,形成两个较小的空泡并形成一股微射流射向壁面。空泡溃灭时间为1μs级别,速度为102m/s数量级,压强为107 Pa数量级。射流速度在液体中迅速减小,只有当空泡与刚性壁面的距离在一倍空泡半径内时形成的射流才可能造成材料的破坏;空泡溃灭时在极短的时间内形成10MPa数量级的高压脉动,可直接造成材料的破坏。  5.通过铝箔腐蚀法定性研究了微射流及压强冲击波对工件的作用。
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