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浙江工业大学硕士学位论文 大曲率结构化表面内软性磨粒流湍流发展过程研究 摘要 小尺寸大曲率结构是模具中一种典型的结构化表面。由于受其结构特征限制，难以 用工具对其进行精整加工，而面向模具结构化表面的软性磨粒流无工具精密加工方法有 效地解决了该问题。 软性磨粒流加工中，控制条件的不同使约束流道内磨粒流具有不同的流动形态( 本 文称之为流型) 。不同流型下，磨粒流流场特性及对应的有效d r i - - r _ 特性典型亦有差别。 本文以u 形大曲率约束流道为对象，研究不同流型下软性磨粒流流动特性，及其在湍流 发展过程中呈现的变化规律；并对约束流道内湍流发展过程中的流型进行识别，从而实 现流型的调控，为软性磨粒流加工工艺路线的制定与实施奠定基础。基于以上研究目的， 提出基于重整化群( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ，r n g ) 加模型的软性磨粒流湍流发展过程的 研究方法，以及基于人工智能的流型识别方法。主要进行了如下研究： 1 基于固液两相流以及颗粒动力学理论，对大曲率约束流道内磨粒流分离、摩阻 损失以及磨粒的动力学特性进行研究。 2 2 针对u 形大曲率流道内软性磨粒流流动情况，建立实现磨粒流在不同流型间变 换的可控物理模型；采用欧拉模型和r n gh 湍流模型，对约束流道内不i 一流动形态下， 与加工效果相关的软性磨粒流流动特性进行研究分析。 3 为实现对约束流道内软性磨粒流流动进行有效控制，需对其流型进行准确判别， 故提出基于人工智能的流型识别法。该法首先获取反映流型变化的压力信号，并对其进 行小波包分析，然后通过概率神经网络实现流型的识别。 4 通过搭建的软性磨粒流加工平台，将约束流道内的磨粒流控制在不同的稳定流型 下，对u 形大曲率结构化表面进行加工实验；分析所获得的实验结果，得出各流型下实 际光整加工效果，验证了理论研究的正确性与可靠性。 关键词：大曲率结构化表面，软性磨粒流，湍流发展，流型识别，人工智能 浙江上业大学硕士学位论文 s t u d yo nt u r b u l e n c ed e v e l o p m e n to fa b r a s i v e f l o wi nl a r g ec u r v 舡u r es t r u c t u a ls u r f a c e a b s t r a c t l a r g ec u r v a t u r es t r u c t u r a ls u r f a c ew i t hs m a l ls i z ei sv e r yt y p i c a li nm o u l ds t r u c t u r a l s u r f a c e s t h e ya r eh a r dt ob ep r o c e s s e db yt o o l sb e c a u s eo fb e i n gl i m i t e dt ot h e i rs t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r e ，t h es o f ta b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ( s a f m ) m e t h o df o rm o u l d s t r u c t u r a ls u r f a c ew a sp r o p o s e d 1 1 1s a f m t h es o f ta b r a s i v ef l o w ( s a f ) w i l l p r e s e n td i f f e r e n tf l o wp a t t e r n sa sm a c h i n i n g c o n t r o lc o n d i t i o n sa r ed i f f e r e n t t h u st h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fs a fa n de f f e c t i v e m a c h i n i n gf e a t u r e sa r ed i f f e r e n t t h et h e s i ss t u d i e dw i t hf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dv a r i a t i o n s h o w e df o rt u r b u l e n c ed e v e l o p m e n to fs a fi nuc o n s t r a i n tf l o wp a s s a g eu n d e rd i f f e r e n tf l o w p a t t e r n s m e a n w h i l e ，f l o wp a t t e r n sf o r m e di nt h ep r o c e s so ft u r b u l e n c ed e v e l o p m e n tw e r e i d e n t i f i e d s oa st or e a l i z et h ec o n t r o lo ff l o wp a t t e r n sa n dl a yaf o u n d a t i o nf o rm a k i n ga n d i m p l e m e n t i n gp r o c e s sr o u t eo fs a f a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c hp u r p o s e ，t h es t u d y m e t h o df o rt h et u r b u l e n c ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs a fb a s e do nr e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ( r n g ) k - em o d e la n dt h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o df o rf l o wp a t t e r n sb a s e do na r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ew e r ep u tf o r w a r d t h em a i n l yr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h e o r yo fs o l i d 1 i q u i dt w o p h a s ef l o wa n dp a r t i c l ek i n e t i c a b r a s i v ef l o w s e p a r a t i o n ，f r i c t i o nl o s sa n dp a r t i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se t ci nl a r g ec u r v a t u r ec o n s t r a i n t f l o wp a s s a g ew e r es t u d i e d 2 a i m i n ga td i f f e r e n tf l o wb e h a v i o ri nu c u r v a t u r ef l o wp a s s a g e ，t h ec o n t r o l l a b l e p h y s i c a lm o d e lw h i c hc a nr e a l i z ef l o wp a t t e mt r a n s f o r m a t i o nw a sb u i l t a n ds o f ta b r a s i v e f l o ww a ss i m u l a t e d b yu s i n ge u l e r i a na n dr n gk - em o d e l t h es o f ta b r a s i v ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sb e i n gr e l a t e dw i t hp r o c e s s i n ge f f e c tw e r ea n a l y z e d 3 i no r d e rt or e a l i z et h ee f f e c t i v ec o n t r o lf o rs o f ta b r a s i v ef l o wi nc o n s t r a i n tf l o w p a s s a g e ，t h e f l o wp a t t e m ss h o u l db ei d e n t i f i e d t h e r e f o r e ，am e t h o do ff l o wp a t t e m i d e n t i f i c a t i o nb a s e do na r t i f i c i a l l yi n t e l l i g e n c ew a sp u tf o r w a r d b ym e a n so fg e t t i n gp r e s s u r e s i g n a lr e f l e c t i n gt h ec h a n g eo ff l o wp a t t e m ，w a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sa n dp r o b a b i l i s t i cn e u r a l n e t w o r k t h ef l o wp a t t e r ai d e n t i f i c a t i o nw a sr e a l i z e d 4 b yp u t t i n gu pt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rs o f ta b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ，m a c h i n i n g e x p e r i m e n t so ful a r g ec u r v a t u r es t r u c t u r a ls u r f a c ew e r em a d e t h es o f ta b r a s i v ef l o wi n c o n s t r a i n tf l o wp a s s a g ew a sc o n t r o l l e di nd i f f e r e n ts t a b l ef l o ws t a t e a c t u a lf i n i s h i n ge f f e c t u n d e rd i f f e r e n tf l o wp a t t e r n sw a so b t a i n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h ev a l i d i t ya n d i i a b s t r a c t r e l i a b i l i t yo ft h e o r yr e s e a r c h ，m e a n w h i l e ，v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r e c i s i o nm a c h i n i n g w i 也o u tt o o l sm e t h o db a s e do i ls o f ta b r a s i v ef l o w k e yw o r d s ：l a r g ec u r v a t u r es t r u c t u r a ls u r f a c e ，s o f ta b r a s i v e f l o w ，t u r b u l e n c e 聋d e v e l o p m e n t ，f l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o n ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i i i 浙江工业大学硕士学位沦义 第1 章绪论 1 1 课题的来源 本论文结合以下项目开展研究工作： 1 国家自然科学基金项目：软性磨粒流的湍流调控与结构化表面无工具精密加工 工艺( 编号：5 0 8 7 5 2 4 2 ) ； 2 浙江省自然科学基金重点项目：基于液一同两相磨粒流的模具结构化表面精密加 工机理与实现方法研究( 编号：z 1 0 7 5 1 7 ) 。 1 2 课题研究背景及意义 作为国民经济基础的模具工业，应用范围越来越广，机械、汽车、轻工、电子、化 工、冶金、建材等各行业产品的制造都离不开模具。随着工业现代化水平的提高，模具 所加工产品逐步向精细化、复杂化方向发展，对模具工作表面的质量、精度以及形状复 杂度要求也逐渐提高。而且模具表面质量及其精度对其加工件质量以及模具使用有至关 重要的作用。因此，模具制造过程中要保证其表面有较低的粗糙度，甚至达到镜面效果， 故光整加工就成为消除模具表面所残留的机械加工痕迹必要的工艺环节。 现有的模具光整加工方法主要有机械抛光、借助自动化设备的抛光、混粉电火花镜 面加工、高速切肖t l d n 工等，一般都需借助工具接触或靠近待加工表面进行加工【1 2 】。但 模具中存在一些沟、槽、孔、棱柱、棱锥、窄缝等异型表面( 本文定义为结构化表面) ， 该些表面具有的尺寸小、形状复杂以及壁面薄等特点成为其光整加工的限制因素，因此， 模具结构化表面的精密光整加工技术研究仍比较薄弱。近年来许多研究者提出了基于磨 料流的光整加工方法，主要有：挤压珩磨( e x t r u d eh o n i n g ) t 孓5 1 、磨粒水射流抛光( a b r a s i v e w a t e rj e tf i n i s h i n g ，a w j f ) 6 。8 1 、磁流变抛光( m a g i l e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ，m r f ) f 9 。1 们、 电流变液抛光( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i dp o l i s h i n g ，e f p ) i l l 等。该些方法中磨料流的流动性 使其在模具曲面和某些异型面加工中体现出一定优势。 但是以上加工方法对壁薄的模具结构化表面进行光整d h - r 时仍存在不足。挤压珩磨 第l 章绪论 和磨粒水射流抛光技术均属于具有强粘性的硬性磨料流强力加工，会破坏结构化表面或 薄壁形态，受加工原理的限制，上述加工方法会使待加工表面出现加工纹理规则及加工 均匀性较差的现象；磁流变光整和电流变液光整等方法仍须借助工具，受工具尺寸限制， 对于微小尺- 、j 的沟、槽、狭缝的加工无能为力。基于以上加工方法存在的问题，本课题 组提出了基于软性磨粒流的无工具精密加工方法【1 2 】，并进行了相应的理论和实验研究 1 3 - i s 。所谓软性磨粒流是一种无粘或弱粘性固液两相流，具有较好的流动特性并可实 现湍流流动。软性磨粒流精整加工方法的原理【1 6 】为：首先在被加工的结构化表面附近配 置约束模块，使被加工表面成为约束流道壁面的一部分；然后使具有很好仿形特性的软 性磨粒流在其内流动，进行微力磨削作用，从而实现结构化表面无工具化精整加工。因 为软性磨粒流不同于强粘性硬性磨料流加工机理，其作用在加工表面的切削力是微小且 持续的，故对具有薄壁结构的模具异型表面进行精整加工时不会造成损伤；而且在软性 磨粒流形成湍流流场后，随机运动的磨粒会使结构化表面呈现无规律性的纹理，从而提 高了加工的均匀性；磨粒流持续作用于结构化表面，直至达到镜面级加工效果。 现代工业生产中，大曲率结构的产品十分常见，其所起的作用也是相当重要的。如 日用品工业中塑料制品的弯曲边缘、电子工业中换热器的微型通道、输运工业中小尺寸 u 形管接头等。为了满足一定的性能要求，这些产品不仅具有曲率大的特点，而且尺寸 微小，这就要求用以加工的模具工作表面具有相应地大曲率结构，因此大曲率结构化表 面便成为模具中常见典型结构化表面。该典型结构化表面的质量对其所加工的产品性能 起着关键作用，故使用软性磨粒流对其表面进行光整加工十分必要。而处于不同流型的 磨粒流对结构化表面的加工效果也有所不同，因此需要对不同流型下大曲率结构化表面 内软性磨粒流流动特性进行研究，以为实际加工提供理论指导。 本论文就以该种常见模具结构化表面为研究对象，对实际模具中的大曲率结构化表 面进行概念抽象，建立其物理模型，并进行相应地数值理论分析。由软性磨粒流无工具 精密加工方法的原理可以看出，要在大曲率弯道该种结构化表面得到较好的加工特性， 需使所配置的结构化流道内的软性磨粒流形成湍流流动，因此，根据大曲率弯道的特点， 构建出合理的约束模块，研究约束流道内软性磨粒流湍流的发展过程，以流速控制为手 段，实现对大曲率约束流道内软性磨粒流湍流状态及其壁面效应的主动调控基础上，研 究大曲率约束流道内软性磨粒流湍流发展过程中的不同形态流场壁面效应的加工机理、 效果及影响因素，总结具有有效加工特性的典型湍流流场的基本特征规律是很有必要 的，这可使湍流流场在加工中得到合理有效利用，对实现大曲率的结构化表面无工具、 2 浙江j 二业大学硕士学位论文 镜面级加工是很有意义的。 在近代湍流研究中，实验测量和数值模拟成为研究湍流发展的两种主要方法。本课 题研究中，首先通过数值模拟对大曲率约束流道内磨粒流流动进行仿真计算，然后进行 实验验证，以此说明仿真结果的可靠性。而因所研究的大曲率弯道这类结构化表面，其 内的流动为强旋流、弯曲壁面流动，故需选择合理的数值模拟方法。本文采用基于r n g k - e 模型并且结合颗粒动力学理论的欧拉模型的数值模拟方法进行研究，对不同软性磨 粒流流型下的流动特性进行分析，得到相应的流动规律以及对应的加工效果。采用基于 r n gk - e 湍流模型结合欧拉模型对约束流道内，尤其是大曲率约束流道内的软性磨粒流 流动进行仿真模拟，将为液固两相磨粒流在表面光整力r l t _ q 1 的应用提供湍流形成、流 型控制、壁面效应和表面微切削机理等方面的基础研究支撑，具有定的工程指导意义。 此外，大曲率约束流道内的软性磨粒流流动是一个动态的过程，要研究其流动发展 过程中不同形态流场中的有效加工量的变化，需要对该动态过程的流型有一个有效识别 的过程，这为准确、客观地确定大曲率约束流道内软性磨粒流流动发展到何种程度，以 及磨粒流达到何种形态的流场提供了依据。 1 3 针对大曲率结构的两相流研究 大曲率结构化表面为模具中一种常见的典型表面，大曲率结构的弯管在工程领域中 起着举足轻重的作用。工程文际中，大曲率弯管有1 8 0 。和9 0 。方形、圆形截面弯管， 螺旋盘绕状弯管等。其主要用于流体的输运，且又以两相流流体输运占多数。对于大曲 率结构内两相流的理论研究主要围绕两相湍流分离现象、二次流现象的再现，两相湍流 的流动特性的探究以及两相湍流流动行为的预测等方面展开。 为了预测1 8 0 。圆形截面弯管内湍流的各向异性结构，s u g i y a m ah 和h i t o m id 【1 7 】 运用结合边界拟合坐标系的代数雷诺应力模型( a l g e b r a i cr e y n o l d s s t r e s sm o d e l ， a r s m ) ，对其内发展的湍流流动进行了数值分析。该研究通过定性地模拟弯道处流动的 正应力和剪切应力，得出在弯管内部的内、外侧壁面会相应出现正、负剪切应力区域的 结论；此外，其研究对预测弯管内最大流速出现的位置以及二次流的发展行为提供了理 论依据。 s u d ok 等人 1 8 - 1 9 对曲率为4 的1 8 0 。圆形截面弯管、以及9 0 。方形截面弯管内的湍 流流动进行了实验研究。其将整个弯管划分为几段进行研究，不同位置处表征流动的物 理量呈现不同的流动规律；研究也指出了管内速度分布情况，阐释了出现涡旋的原因。 3 第1 章绪论 对9 0 。弯管的研究发现，主流的发展与近壁面内外侧的强压力梯度有关，而二次流的产 生是弯管横截面内压力梯度和流体所受离心力的共同作用；不同弯管位置流动速度加、 减速规律亦有差别；由于主流湍流流动的发展较为复杂，使雷诺应力的变化也很复杂。 以上两研究的实验结果可为理论研究提供有效性证明。 o o k a w a r as 等人【2 0 】针对微尺寸18 0 。弯管方形截面内的颗粒浓度分布变化进行数值 分析，解释了颗粒在微弯道内外侧壁面附近集中的机理。其分析表明，截面内颗粒浓度 的变化与微尺寸弯道内各角度截面的颗粒输运浓度有关；颗粒的受力及其运动行为因其 尺寸大小而不同，较大的颗粒受升力的阻碍作用，不能被迪恩涡运载至微弯道内部，具 有较高的剪切率；较小的颗粒因具有较小的滑移速度而不受升力影响，故可以分散在整 个微尺寸的弯道内。该研究对微细尺寸的弯道内流动特性的理论研究具有重要意义。 对大曲率结构内湍流流动的理论研究主要采用数值模拟的方式进行，因此选择合适 的数值模型是十分重要的。已有研究表明以耗散率为基础的r n gk - e 模型，较为适合流 线曲率较大、涡旋流、分离流等复杂流动的数值计算 2 1 - 2 2 】。自r n gk - e 模型提出以来， 其显示出显著的优越性和发展潜力。王少平等人【2 3 】的课题组将r n g 缸s 湍流模式推广应 用于1 8 0 。大曲率弯道内的湍流分离流动的数值模拟，该数值模拟的计算是在任意曲线坐 标下进行，并采用速度协变分量作为求解变量以保证计算的高度稳定性，控制方程的求 解采用通常的控制容积法，给出了详细的数值计算结果，并与实验结果进行了比较，得 出r n gk - e 湍流模型能有效模拟有大曲率影响的湍流分离流动的结论，展示了这一模式 在工程湍流计算中的前景。但由于未考虑曲率与旋转影响，所以也指出在压力、湍流脉 动速度的预测方面还存在一些误差。 e 1 b e h e r ysm 等人【2 4 】分别使用标准舡模型、r n gk - e 模型、低雷诺数肛s 模型以 及改进的标准k - e 模型对1 8 0 0 弯管内的气固两相流流场进行了对比研究，结果表明与其 它模型相比较，r n gk - e 能较好地预测大曲率弯管内两相流的流动行为，且由其仿真得 到的颗粒浓度和颗粒速度与已有的实验数据吻合地较好。使用r n gk - e 模型得到两相流 入口速度、弯道的弯曲形状、固相颗粒大小以及弯道拐弯处压力降，并证明了这些因素 对两相流的流动行为都有影响。但该研究是对1 8 0 。弯管内气固两相流的模拟，未涉及 到软性磨粒方面的研究。张明亮和沈永明【2 5 】采用非正交曲线坐标下的三维r n gk - e 双方程湍流模型对两个18 0 0 弯曲渠道和天然河流f a l lr i v e r 部分河段进行验证仿真，给 出水位、流速及二次流的分布图等。通过对比分析，验证了该模型的计算结果和实测值 吻合地很好。江山【2 6 】等人通过使用r n gk - e 湍流模型，对9 0 。大曲率圆形截面弯管内部 4 浙江上业大学硕士学位论文 流体进行三维数值模拟，将数值模拟结果与相关文献实验结果进行了对比，结果表明 r n gk - e 湍流模型对具有二次流的湍流流动能较好地模拟，数值计算结果与实验结果符 合较好，能准确反映弯管内部流型，对工程研究有很好的指导作用。 综 ：所述，尽管在大曲率弯管内两相流模拟方面已经积累了相当多的研究成果，但 是并未涉及小尺寸大曲率弯道这种模具结构化表面内软性磨粒流湍流发展的理论研究。 而且，在已有的研究成果中，对使用软性磨粒流进行模具结构化表面光整加工应用方面 的研究相当欠缺。因此，本研究就针对已有研究成果的不足，使用考虑了旋流流动情况 的r n gk - e 湍流模型以及结合颗粒动力学理论的欧拉模型进行模拟，更加严密地对小尺 寸大曲率弯道内软性磨粒流流动进行了研究分析，从而为软性磨粒流对尺寸较小的大曲 率弯道这种模具结构化表面的加工提供理论依据。 1 4 两相流流型识别技术研究现状 早在几十年前，研究者已经展开了对两相流流型识别的研究。从传统的依据理论判 据识别流型到使用较为先进的流型识别仪器进行测量，再到通过采集反映流型的信号并 对其进行统计分析以实现流型的识别，两相流型识别技术的研究确实获得很大进展。 在寻求气液两相流流型客观识别方法过程中，一些研究者曾尝试性地通过测量和 分析诸如密度、压力、空泡份额等两相局部参数，应用电导探针、x 射线衰减等辨识流 型2 7 1 。j o n e sj roc 等【2 8 1 就利用线性化x 射线空隙测量系统，对方管内气水两相流的某 些参数进行统计测量，由空隙率波动的概率密度函数曲线特征进行流型判别。接下来又 出现了利用混沌理论、分形理论、小波理论和图像处理技术识别气液两相流流型的新 方法。c a iy 掣2 9 】将混沌理论应用至小尺寸水平矩形管内的两相流型识别中，其将能量 谱密度函数、自相关函数、李雅普诺夫指数等作为流型识别的特征量，实现流型的识别。 “hw 等【3 0 】采用经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 法对获得的气液 两相流图像的灰度尺度时间序列进行分解，获得其双重分形特征：同时还使用混沌递归 图对多种信号进行了检测，最终得出对基于图像灰度尺度波动信号进行多尺度非线性分 析方法能有效地进行流型的识别。m a h v a s h a 和r o s s a 【3 l 】利用单步指数多模光纤探头对 透明竖直玻璃管内的空气水信号进行采集，并将抽取后的信号特征输入连续隐马尔可 犬模型( c o n t i n u o u sh i d d e nm a r k o vm o d e l ，c h m m ) 进行分析( 即流型识别的过程) 。识别结 果与实验得到的流型图非常一致，得出c h m m 在两相流流型识别方面有较大的潜力。 一些研究者将人工神经网络在该领域成功应用，h e m z i n d el 等【3 2 】采用自组织神经嘲 s 第1 章绪论 络( s e l f - o r g a n i z i n gn e u r a ln e t w o r k , s o n n ) 对垂直环形管内的上升的沸腾两相流流型进 行了识别，成功地将流型分为三类。t a m b o u r a t z i st 和p 缸s i ti 3 3 】利用广义回归神经网络 ( g e n e r a l i z e dr e g r e s s i o nn e u r a ln e t w o r k , g r n n ) 对加热管内两相流型进行识别，获得了满 意的识别结果。s u nt 等人【3 4 】将采集到的气液两相流压差信号首先进行小波分析，得到 尺度能量比，然后将其作为b p 神经网络的输入进行流型识别。试验结果表明：使用该 法对环状流识别的准确率较高。 在液液两相流流型识别方面，j a n aak 等 3 5 1 对垂直管内的液液两相流采用电导探 针技术，用三个不同设计的探头在不同的流动条件下进行流型识别。其中，穿越全断面 沿径向平面的平行线式探头探测结果表明在低相位流速存在的是泡状流，高速水流下是 分散泡状流。为更好地识别两相流流动情况，还使用了概率密度函数分析和小波分析。 其对不同的流型形成的条件进行了界定，并且以流型图的形式给出了所获得的信息。 c h a k r a b a r t idp t 3 6 】等人对不相混溶的液液两相流进行了流型识别，其使用一独特的光学 探针，以伴随光程出现的不同相界面特征作为流型识别的基础，采用概率密度函数 ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ，p d f ) 分析和小波多分辨率技术，以实现流型的客观识别， 识别的结果与文献中的数据较为一致。 魏建华等【3 7 】针对油田地面集输管道内砂、油水固、液两相流的流动进行了流型识 别的研究。首先对管道内流体流型分析的一些基础问题进行研究，对颗粒形状和最终沉 降速度进行修正；然后计算圃、液两相水平管流中的固体颗粒的质量分数c 。的相关表 达式作为流型的判据，并据此寻找控制流型的最佳参数，以此来防止管道破损泄漏问题。 以上研究表明，目前对于两相流流型识别的研究主要集中在气液两相流和液液两 相流流型识别方面。在固液两相流流型识别方面的研究很少，即便是对固、液两相流 进行的流型识别，也未使用任何与人工智能相关的技术，只是通过一些假设和计算得出 流型判据参数，在实时性和操作性上仍存在不足；并且基于人工智能的流型识别研究未 曾涉及大曲率模具结构化表面内软性磨粒流流型，从而导致无法实现对磨粒流的主动控 制，也就无法使磨粒流光整加工达到预期效果，因此基于人工智能的大曲率结构化流道 内软性磨粒流流型的识别是必要的。 1 5 课题主要研究内容 本课题旨在基于流体力学、两相流以及颗粒动力学理论，研究大曲率约束流道内软 性磨粒流湍流发展过程中的不同形态湍流流场特性，并且实现流动形态的客观识别，从 6 浙江工业大学硕士学位论文 而实现对流型的有效控制。因此提出一种基于r n gk - e 的软性磨粒湍流发展过程中流场 特性的研究方法。基于此研究目的，本课题主要包括以下研究内容： ( 1 ) 针对大曲率结构化流道内软性磨粒流分析方法，介绍与该方法相关的理论：固 液两相流理论、颗粒动力学理论，研究r n gk - e 湍流模型以及结合颗粒动力学理论的欧 拉方法在所建模型中的应用及求解分析过程。 ( 2 ) 建立结合颗粒动力学理论的欧拉模型以及r n gk - e 湍流仿真模型，对构建的大 曲率约束流道内软性磨粒流加工进行数值分析，将软性磨粒流湍流发展过程中不同阶段 内有效加工因素数据进行对比分析，总结出具有有效加工特性的典型湍流流场的基本特 征规律，以及磨粒两相流在不同阶段下的加工效果。 ( 3 ) 采用基于人工智能的流型识别方法对大曲率约束流道内软性磨粒流流型识别进 行研究。使用小波包对所获取的反映流型变化的物理量进行定量分析；使用概率神经网 络对经小波包分析处理的输入进行识别。 ( 4 ) 搭建软性磨粒流加工实验台，进行加工验证实验，对以上数值分析结果进行验 证分析，验证所研究数值分析方法的正确性与可靠性。 7 第2 章大曲率约束流道内“软性”磨粒流基础理论研究 第2 章大曲率约束流道内软性磨粒流基础理论研究 2 1引言 研究大曲率弯道这类常见的模具结构化表面内软性磨粒湍流发展过程中流场的特 性，需要结合大曲率约束流道内磨粒流的特点，依据正确的理论，建立合理的数学模型， 才能对其进行准确地分析。 模具中大曲率结构化表面难以直接进行光整加工，故在其表面附近配置约束模块构 成约束流道。约束流道内的软性磨粒流为一种具有弱粘性或无粘性的固液两相磨粒流， 其流动为弯曲壁面流动。本章就对与上述大曲率约束流道内磨粒流特性相关的理论进行 阐述，从而为数值模拟部分的研究提供理论依据。 2 2 固液两相流理论研究 流体动力学中，动力学性质近似的一类群体成为一相，“固液两相”是依据参与流 动的相的数目以及介质定义的，固液两相流是指固体颗粒和液体一起的流动，固体颗 粒相为离散相，液相为连续相。固液两相流可以是连续相( 液相) 中含有离散相( 颗粒相) 的均匀的或非均匀的混合物流动。另外，两相流中两相有以下三种流动情形：“同向流 动”( 两相在同一方向上流动) ；“反向流动( 两相在相反方向上的流动) ；介于以上两种 流动之间的流动。 2 2 1 固液两相流特性研究 固液两相流动是液体中掺杂了固体颗粒的流动，其除了具有流体力学的一般特性 外，还有自身的一些流动性质。此外，大曲率流道内的两相流动还会出现分离现象等特 性。下面将从流型、摩阻损失、速度和浓度分布、分离现象等几个方面进行论述。 ( 1 ) 固液两相流型 根据早期w a s pej 等人【3 8 】的研究，管内同液两相流的流动状态可以分为均质流、 非均质流。随着两相流研究的发展，研究者又将复合流归入其中。n e w i t tdm 等人【3 9 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 还通过实验将水平管内的非均质流进一步细分为非均质悬浮流动、推移层流动和固定沉 积层流动。严格地讲，真正的均质流是不存在的，应为伪均质流或拟均质流。 均质流是指以细颗粒组成为主的高浓度固液两相混合物，其具有非牛顿流体的特 性，常被视为宾汉体。因固体浓度较大，颗粒之间形成絮网结构，粘性急剧增加，固体 颗粒沉积速度极慢，颗粒自重由浮力和宾汉剪切力支持，由湍动扩散作用维持其均匀的 悬移运动，在垂线上固体浓度分布十分均匀，整个混合物成为一种均质浆液。 非均质流是指以粗颗粒为主的固液两相混合物。当固体浓度低时，其保持牛顿流 体的性质，颗粒运动的惯性阻力是主要的，垂向浓度呈现明显的梯度分布；固体浓度增 大时，颗粒问因剪切运动产生的离散力越来越占主导作用；固体浓度达到很高时，运动 时的静摩擦力会产生宾汉剪切力，但其绝对值一般较小，此时，湍流转化为层流，固体 颗粒自重由离散力支持，其以推移和悬移形式运动，并保持固、液分离的两相特性。 复合流是以均质浆液为液相的两相流，其物质组成为粗、细颗粒分布范围很广的固、 液混合物。当固体颗粒浓度达到一定程度后，细颗粒与液相组成均质浆液，粗颗粒在浆 液中自由下沉，此时均质浆液代替原液相。随着固体浓度的提高，越来越多的粗颗粒也 成为浆液的组成部分。当固体浓度超过某一临界值时，整个液流转化为均质浆液。 均质流与非均质流的流动特性是不同的，管内的同液两相流为均质还是非均质流 主要取决于固体颗粒浓度、粒径、管内流速、相对密度以及管径等许多因素，目前尚无 统一的定量指标【4 们。其中w a s pej 采用管道断面的垂向浓度分布作为判别的定量指标， 其以管顶下0 0 8 倍管直径处的固体体积分数c v b 与管中心处的体积分数c v 。之比作为判 定均质性的指标，根据其研究，列出两类不同的流动状态和主要特征，如表2 1 所示。 表2 1均质流与非均质流的特性比较 9 第2 章大曲率约束流道内“软性”磨粒流基础理论研究 ( 2 ) 固液两相流摩阻损失 由于管道直径、流速、颗粒大小、密度以及浓度比等因素的影响，固液两相流在 管内流动过程中，会受到摩擦阻力而出现流动能量损失的现象。计算摩阻损失的理论体 系主要有扩散理论、重力理论和能量理论三大类。其中，扩散理论认为两相流中固体颗 粒与流体质点是一起参加扩散的，而未考虑两者间的相互作用，还将浆体视为均质流体； 重力理论认为两相流的能耗大于纯液体的能耗，其只考虑了颗粒悬浮所耗能，而未考虑 颗粒运动能耗：能量理论将以上两理论相结合，打破了上述两种理论存在的局限性。随 着两相流摩阻损失研究的发展，又出现了用流变参数预测管道摩阻损失等方法【4 1 1 ，这使 固液两相流摩阻损失的研究更加具有准确性和深入性。 不同流动状态下的固液两相流具有不同的摩阻损失规律，层流流型下的两相流只 需克服阻力即可运动，而湍流流型下颗粒的悬移运动需一定的流速来支持，此时流动的 摩阻损失就与流速有关，均质流、非均质流的摩阻损失与流速的关系如图2 1 所示。 ( a ) 均质流( b ) 非均质流 图2 1 两类固液两相流的摩阻损失与流速关系 失 l g “ 从图中可以看出，均质流的摩阻损失与速度的关系曲线明显地分为两段，在高速流 区呈较陡的线性关系，当速度降低至粘性过渡流速以下的低速流区时，呈现典型的层流 摩阻损失特性曲线；非均质流在高、低速流区均为湍流流动，其在高速流区的摩阻损失 曲线与只有液相时的摩阻损失曲线接近平行，在流速减小的b c 段，颗粒分布的不均匀 性变得明显，淤积流速处也是粒径均匀浆体出现最小摩阻损失处，当流速低于该速度时， 固体颗粒层的形成减小了有效过流面积，摩阻损失增加。 ( 3 ) 固液两相流速度和浓度分布 固相浓度不同的两相流其速度和浓度特性也不尽相同，许多研究者对此也曾经展开 研究，王光谦等人【4 2 】分别给出了低浓度固液两相流的固相与液相的速度分布特性，他 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 指出低浓度的固一液两相流中液相流体的随机速度的概率密度分布函数与单相流相同， 即在远离底壁的区域内近似服从正态分布，而在靠近底壁区域内近似服从r 分布；固相 颗粒随机速度概率密度分布服从正态分布，在得到颗粒的随机速度分布函数后，可由相 应函数关系式计算得到颗粒时均速度分布。根据其分析，可用图2 2 表示固相与液相的 速度分布特性。 p 擘) ( a ) 固相颗粒随机速度概率密度分布( b ) 液相随机速度概率密度分布 瓦? ( c ) 两相流中理论各相时均流速分布( d ) 理论液相纵向时均流速垂线分布 图2 - 2 低浓度固液两相流的固相与液相的速度分布特性 ”为瞬时速度与时均速度之比( 无量纲量) ，y p c i 为从底壁算起的相对深度，二。为两相流中固相颗粒的 时均速度，“，为两相流中液相的时均速度，为两相流中摩阻流速 倪晋仁和黄湘江【4 3 】曾对高浓度的固液两相流的运动特性进行了研究。其主要从固 体颗粒的微观机理和宏观表征两个方面展开，得到高浓度的颗粒速度分布函数、颗粒平 均速度垂向分布以及颗粒脉动速度等固相运动特征。根据其研究成果，将高浓度2 0 0 r a m 直径方管内的固相运动特性表示为图2 3 。分析图可知，高浓度的固液两相流中，颗粒 速度多集中在某一区域内；在管道底部附近，颗粒平均速度及脉动速度增加幅度较大， 而管道中部及上部变化幅度较小。 第2 章大曲率约束流道内“软性”磨粒流基础理论研究 p ( “) ( a )( b )( c ) 图2 - 3 高浓度的同液两相流中颗粒运动特性 ( a ) 某相对水深下颗粒速度概率密度分布，( b ) 颗粒平均速度垂向分布，( c ) 颗粒脉动速度分布 另外，管内不同流动状态的固液两相流其速度和浓度分布也不相同，如图2 - 4 所示。 均质流、非均质流、有推移层的非均质流以及有沉积层的非均质流在管内速度分布趋势 大体一致，最大速度均出现在管道中心附近，但也有细微差别，有沉积层的非均质流在 管底部速度不为0 ，是与其他流动状态下速度分布的最大差异：而各流动状态下浓度分 布差别则较大。 ( a ) 均质流( b ) 非均质流 ( c ) 有推移层的非均质流( d ) 有沉积层的非均质流 ( a ) 均质流( b ) 非均质流 ( c ) 有推移层的非均质流( d ) 有沉积层的非均质流 图2 - 4 不同流型下的速度、浓度分布 y d 表示距管底的距离与管径之比，u 表示固液两相流流速，表示固相体积分数 ( 4 ) 固液两相流分离及涡流现象 本课题所研究的物理对象为大曲率结构化表面，其内的流动为固液两相流动，由 于两相固有离心力的不同，以及重力和二次流的影响，当流体流至弯道处时，颗粒从弯 1 2 浙江上业大学硕士学位论文 道内侧被驱至弯道外侧，从而发生分离现象似5 1 ，如图2 5 所示。此外，两相流在流道 转弯处还会产生双旋涡流现象，这足因为由于固液两相流动为粘性流动，故其在垂直 流动方向上的速度分布不均匀( 显然，近壁面的速度较小) ，断面巾央出现回流，该流动 与主流叠加使得整个弯管内流动为螺旋状，固液两相流运动情况十分复杂；另外，该 方向上还存在压力梯度不平衡的现象以及离心力作用。 ? 醚遵篓苎 流出方向t ，弯递1 5 0 附 塞燃皇。，莲矗磊夏矗磊磊荔i羹。 剪切屡交港 珏n 塌啦吼刀闻佩例喁摹 耋5 。 爹囊黼璧羹霪 一譬一一触 处的近妇壁雯“戡 a 火r 一。圊一 b 妻耄望二要笙窆滴心两孝曩潍在辨譬睡处出现分 莲警璧璺翼毽塑：， 、嚣笺荔蘧蓉：溢葛芪囊基 并沿弯道持续增长 一一一 图2 5固液两相流在大i l l l 率弯管内分离及涡旋现象示意图 2 2 2 固液两相流动研究方法 对单相流的理论研究，已形成了一套比较成熟的研究体系。但对于两相流动，因两 相界面的存在使其成为一种较为复杂的流动，在流动过程中两相间存在相互作用，各相 的质量、动量、能量通过相界面发生传递；并且描述两相流的本构方程、守恒方程等方 程组形式复杂且非线性程度和耦合程度增加，因此研究两相流比单相流复杂的多。目前 分析两相流的方法主要是数学解析以及理论分析模型两大类。此外，还有以实验数据为 基础的经验关系式法和半经验、半理论的唯象方法。下面仅对主要的两类方法做一概述。 数学解析方法主要是以详细描述各相运动的流体力学方程为理论基础，然后经过严 格的数学推导求解一些两相流问题。该种方法较严密，所得的关系式具有普遍性，但需 要对两相流做一些假设，以便对某些方程做一些简化和平均处理。另外，还要保证方程 组的封闭性。总之，当该法具备了所有可以实现求解的条件，再借助现代计算技术，也 1 3 第2 章大曲率约束流道内“软性”磨粒流基础理论研究 是一行之有效的方法。 两相流动受各相密度、浓度、速度、粘性以及固相颗粒结构等因素的影响，因此， 从不同的角度出发，建立的两相流理论分析模型也不同，其主要有两大类：第一类是把 流体作为连续介质，把颗粒相作为单颗粒或离散体系；第二类是除将流体视为连续介质 外，还将颗粒相作为拟流体( 或拟连续介质) 。目前分析两相流的理论模型主要有三种【4 6 】： 连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ，c m ) 、离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ，d p m ) 以及 流体拟颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l )