基于内冲液的电火花小孔加工间隙流场仿真研究

电火花加工小孔时,间隙流场中的电蚀产物和气泡如果不能及时排出,会严重影响加工效率和加工质量。通过对电火花间隙流场特性分析,建立三维圆柱组合体间隙流场几何模型,运用FLUENT软件中VOF、DPM模型和二次开发功能来实现电蚀产物和气泡在底面加工间隙内不断随机生成,建立电火花小孔加工间隙流场气–液–固三相流耦合仿真模型,并加入中空内冲液排屑方法,仿真分析了不同冲液速度和不同加工深度下电蚀产物和气泡在间隙流场中的分布情况。对电蚀产物颗粒分布进行统计,表明增大内冲液速度能够促进电蚀产物排出,减少底面和侧面间隙内气泡相的浓度。加工深度越小,底面间隙处向上的速度越大,电蚀产物和气泡越容易排出。     

基于周期性换向冲液的掩膜电解加工技术

掩膜电解加工技术是一种用于阵列结构加工的高效电化学加工技术,被广泛应用于各类难加工材料的阵列群孔、群坑或群槽的加工制造。目前,掩膜电解加工中多采用侧面单向供给电解液的方式进行加工,该冲液方式简单易行,但由于加工区迎水面和背水面的流场差异,造成群孔结构的成形精度较差。为此,提出了周期性换向冲液技术,以改善加工区流场分布,进而提升群孔结构的成形精度。通过数值模拟仿真和实验研究,明确了最佳的换向冲液频率,研究结果表明换向冲液技术可以有效提升孔的成形精度。最终,采用周期性换向冲液技术完成了阵列群孔结构的加工,相较于单向冲液,孔的侧壁与轴线夹角差异率下降至1%以内,获得了较高的成形精度。     

基于Realizable k-ε模型的叶盘通道电解加工多场耦合分析

叶盘通道电解加工(ECM)是决定整体叶盘电解加工成形精度的关键工序,其加工间隙不规则、建模困难。基于Realizable k-ε模型建立叶盘通道电解加工的气液两相流模型,根据参数传递关系建立多物理场耦合模型,分析加工间隙内电解液温度、氢气体积分数、电导率等重要参数的分布规律。仿真结果显示电解液在侧面间隙出现涡流现象,使该区域氢气堆积、温度上升,影响工件的成形表面质量,并导致该处的材料蚀除量减小,该结果在试验中得到证实。试验与仿真得出的工件轮廓形状变化趋势一致,试验与仿真获得的端面平衡间隙尺寸分别为0.26、0.33 mm,仿真的相对误差(27%)明显小于经典公式的相对误差(73%)。因此,模型可较为准确地模拟叶盘通道电解加工成形过程,反映各参数对工件成形的影响过程。     

榫槽结构浸没式管电极内喷液电解切割加工

在航空发动机中,用于连接涡轮盘和叶片的榫槽/榫头结构加工精度、表面质量要求极高,现有加工技术还不能实现涡轮盘榫槽结构的低成本、高效、高质量加工。电解线切割具有加工精度高、加工表面质量好、加工灵活性强等特点,对涡轮盘榫槽结构的低成本加工具有原理性优势。针对管电极内喷液电解切割时,切缝侧壁表面粗糙度不均匀问题,提出了浸没式管电极内喷液电解切割加工方法。在较为稳定、均匀的外部流场和快速流动的加工间隙内部流场共同作用下,实现了大厚度难加工材料的高效高质量加工。结果表明,相比于管电极内喷液电解切割,浸没式管电极内喷液电解切割加工出的切缝侧壁表面粗糙度比较均匀,整体加工质量较好。优选出内喷液压力,以4.5μm/s的进给速度在20 mm厚的高温合金GH4169工件上加工出表面粗糙度为Ra 1.247μm的涡轮盘榫槽结构。     

扩压器扭曲型面电解加工阴极进给方向优化及试验

电解加工(ECM)是一种非接触式加工工艺,阴极进给方向对最终的加工精度有重要影响。斜向叶片式扩压器轮毂面较为扭曲,针对其叶片型面电解加工,提出了一种基于遗传算法的阴极进给方向综合优化方法。该方法将夹角的最大值和阴极侧面与轮毂面之间的间隙方差同时作为遗传算法的评价指标,在保证夹角最大值相对较小的情况下,使得阴极侧面与轮毂面之间的间隙分布更加均匀,从而避免轮毂面发生余量不均或过切现象。为了验证该优化方法的有效性,基于优化结果进行了夹具设计并开展扩压器电解加工试验,结果表明,叶片型面加工误差小于0.12 mm,轮毂无过切现象,实现了该扩压器的电解精加工。     

整体叶盘电解加工电解液进液角度优化研究

整体叶盘电解加工中,流场对加工稳定性起着重要作用,电解液进液角度对流场均匀性具有重要影响。针对由叶尖至叶根流动模式,设计了5种电解液进液角度流动模型（12°、22°、32°、42°以及52°）,并开展电解加工流场仿真研究。结果表明,电解液进液角度为32°时,平均流速为19.01 m/s,流速均方差为6.33,满足整体叶盘电解加工对流场的要求。在电解液进液角度为32°的流场形式下,开展整体叶盘电解加工试验,加工过程稳定,试件表面无流纹,加工精度为0.12 mm,表面粗糙度为Ra0.353μm,验证了流场的合理性。     

钛合金小余量叶片脉冲电流电解加工

脉冲电流电解加工可以改善流场,提高加工稳定性,有利于进行小间隙加工,从而提高加工精度。本文介绍了脉冲电流电解加工钛合金小余量叶片的情况,并且取得了较好的效果。     

微幅往复走丝微细电解线切割试验研究

 微细电解线切割是一种新型的微细加工技术,适合高精度金属窄缝、窄槽等微细结构的加工,由于加工间隙内电解产物排出困难,容易影响加工精度。为了提高产物排出效率,提出线电极微幅往复走丝促进加工间隙内电解产物排出的方法,改善了加工稳定性,提高了加工精度和加工效率。建立了间隙内电解产物排出效率对加工精度、加工速度影响的数学模型,分析了线电极走丝速度和走丝幅值对间隙内电解产物排出和电解液更新的影响。通过试验研究了线电极的走丝速度和走丝幅值对加工精度和加工效率的影响规律,采用优化参数在厚度为80 μm的钴基弹性合金上进行微槽结构加工,底面粗糙度约为0.45 μm,倒角半径小于8 μm。结果表明线电极轴向微幅往复走丝可以有效地提高加工质量和加工效率。     

叶片 精密电解加工

电解加工的理论和实践表明,要实现叶片精密电解加工,关键在于实现小间隙加工。但减少间隙又受到如下障碍:电解产物排出条件恶化,甚至极间被堵,造成短路烧伤;为及时排出电解产物必须提高电解液的流速和压力,结果在加工区产生很大的电解液反力,使叶片变形,过高的流速还会造成流场不均,出现空穴现象,以致稳定的小间隙加工无法进行。因此采用普通电解加工方法,靠加大电解液压力和电极送进速度来实现小间隙加工并不是理     

放电介质对液中喷气电火花加工的影响

本文通过液中、气中、液中喷气电火花加工的对比实验,分析了不同放电介质对临界放电间隙、电极表面和工件表面的影响,并采用FLUENT软件计算了液中喷气电火花加工放电区域的气体体积分数.结果表明,液中喷气电火花加工放电瞬间加工区域是处于气体包围中的,也解释了液中喷气电火花加工与气中电火花加工相似以及出现工件碎屑熔融物反粘到电极表面的原因.     

开式风洞超声速压气机流场起动的数值研究

在开式风洞超声速平面叶栅试验中,从试验启动到叶栅建立超声速流动状态的过程,即超声速流场起动问题,已成为公认的难题。为建立可行的开式风洞超声速流场起动方法,奠定开式超声速风洞的使用基础,基于某超声速风洞,以超声速压气机平面叶栅为研究对象,开展三维数值仿真研究;分析试验条件下超声速流场起动失败的原因,制定三种流场起动方案。结果表明：起动失败的原因为叶栅前缘形成了一道强正激波;仅提高风洞进口总压无法建立叶栅超声速流动状态;仅增大下壁溢流缝宽度可起动超声速叶栅流场,但有效叶栅流道数量减少,壁面附面层增厚;保持上、下壁溢流缝宽度在1 倍栅距以上,在栅前上、下壁设置超声速墙并进行抽吸,可有效起动超声速流场,相邻流道出口马赫数最大波动0.01,出口气流角最大波动0.09°,周期性可满足试验需求。     

三维数值模拟再生冷却喷管的换热

为了解液体火箭发动机喷管再生冷却的换热特点，采用数值模拟的方法，对内喷管燃气、壁面和冷却液建立不同的三维控制方程，进行流动和传热的耦合计算。在计算中，假定喷管流动为冻结流动，考虑燃气向壁面的对流换热和辐射换热；采用二阶迎风格式离散控制方程，采用DO模型离散求解辐射换热方程，水蒸气的吸收系数根据Leckner公式计算。计算模型采用缩比热试车发动机，数值计算结果与实验结果吻合较好，较准确地模拟出了喷管的壁面热流密度，得到了喷管燃气和冷却液的流场和温度场，对高压再生冷却喷管的设计具有指导意义。     

离心式喷嘴内流场特性的数值模拟

基于单流体模型及气液两相混合分数的概念，建立了离心式喷嘴内流场的数学模型，并进行了数值计算，计算结果给出了离心式喷嘴内部液膜与气涡共存的流场结构及气液交界面的几何形状，计算得到的壁面压力分布、出口处液膜内轴向速度分布以及雾角大小都与实验结果吻合的很好，与常用的跟踪气液界面的ALE方法相比，本文建立的数值模拟方法具有简单，计算量小和易于实现的特点。     

突扩间隙比对单通道扩压器内流动力特性影响的试验研究

为了研究突扩间隙比与扩压器内流动力特性的影响关系,采用水流模拟流动显示及PIV(Particle Image Velocimetry)流场测速试验方法,对不同突扩间隙比的内流瞬态流场、时均流场、雷诺切应力等关键流场信息所表征的扩压器内流动力特性进行了研究。结果表明:突扩间隙比为1.6～1.7时,静压恢复系数与总压损失系数比值达到最大,此时扩压性能最优;扩压器突扩间隙比为1.64时,主流从前置扩压器流出时由于强剪切作用卷起扩散涡,为维持突扩区域空间内流动稳定性,进而诱导出消耗涡;总压损失变化是突扩区消耗涡、回流扰动及火焰筒前缘背压反流共同作用的结果,雷诺切应力与总压损失系数成正比;扩压器出口速度分布对于突扩间隙比变化的不敏感性体现出较好的内流流动稳定性。     

液态水相变发散冷却的实验

以液态水为冷却介质,采用高温合金粉末烧结多孔材料制造平板实验件,实验研究了具有液态水相变的发散冷却特性.用远红外热像系统记录实验平板热端表面温度分布,通过热电偶及压力传感器监控冷却腔内温度和压力变化,从而分析液态水的相变过程.实验表明:随着液态水注入率的增大,平均冷却效率不断提高;当液态水在暴露于高温主流的平板表面发生气液相变时,平均冷却效率趋于稳定且不再大幅上升;主流温度与液态水注入率决定了液态水的相变位置,并对冷却腔内压力变化产生影响.      

基于自适应网格的超声速液体射流破碎过程研究

为研究超声速气流中液体横向射流的破碎过程,采用脉冲背景光方法和VOF方法开展了实验和数值研究。为提高液体横向射流中气液界面和气流场特征捕捉的精确性,采用自适应网格技术对于气液界面、激波出现位置进行网格细化,计算得到了较为精细的气液界面、激波特征及涡系结构。研究结果表明:在低成本仿真模拟条件下,利用自适应网格计算得到的射流轨迹和轮廓与实验吻合较好,射流轨迹的最大误差为10%;射流初始段在超声速气流条件下,仍然存在一段高度约为1.9倍喷孔直径且圆柱形态保持较好的连续光滑液柱。随着喷注压降的升高,液柱的长度逐渐增大;主流气体流经液柱发生三维绕流,在射流附近和近壁面区域形成不断演化的反转涡对,反转涡对的形成加速了液体射流一次破碎过程。     

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.      

液体火箭发动机喷管流动特性及高度补偿研究进展

喷管作为液体火箭发动机产生推力的重要组件之一,其内部存在的复杂流动现象对发动机性能具有重要影响,本文综述了该领域的相关研究进展。传统喷管在过膨胀状态下会产生自由激波和受限激波两种分离模式,其非定常、非对称性给发动机带来严重的侧向载荷,也造成流动预测较为困难。采用凹坑或涡轮废气主动射流等方式能够避免受限激波分离的出现,抑制侧向载荷,但却无法对喷管损失的性能进行有效补偿。通过对传统喷管的创新设计,高度补偿喷管不仅能够有效控制管内流动,还能在不同程度上提升发动机性能。然而,高度补偿喷管形式众多、各有所长,工程应用应谨慎决策。此外,各种形式的高度补偿喷管内仍旧存在激波/边界层干扰、分离、回流等不利的流动现象,亟待对其开展深入研究。     

整体叶盘叶型电解加工流场设计及实验简

 电解加工（ECM）是航空发动机整体叶盘制造的主要技术之一,其电解液流场稳定性是影响电解加工精度和表面质量的核心因素。本文在分析原有的二维流场基础上,针对流体在不同流道截面下的流场状态,提出了一种三维复合电解液流场模式,即三股电解液分别从毛坯进气边、叶盆叶根、叶背叶根流入,由排气边交汇流出。采用有限元法对三维复合流场及两类二维流场开展仿真分析,分析结果表明三维复合流场改善了流道突变区域流场状态,有效抑制了二维流场的流场缺陷,有助于提高流场稳定性。对加工区液体流态进行了判断,其结果显示三维复合流场可以满足电解加工要求。开展了3种流场模式的加工速度比较实验,三维复合流场达到的进给速度最高,较二维流场可显著提升加工效率。采用三维复合流场开展了多叶片扇段加工,获得了较好的重复精度与表面质量。     

整体叶盘叶型电解加工流场设计及实验

电解加工（ECM）是航空发动机整体叶盘制造的主要技术之一,其电解液流场稳定性是影响电解加工精度和表面质量的核心因素。本文在分析原有的二维流场基础上,针对流体在不同流道截面下的流场状态,提出了一种三维复合电解液流场模式,即三股电解液分别从毛坯进气边、叶盆叶根、叶背叶根流入,由排气边交汇流出。采用有限元法对三维复合流场及两类二维流场开展仿真分析,分析结果表明三维复合流场改善了流道突变区域流场状态,有效抑制了二维流场的流场缺陷,有助于提高流场稳定性。对加工区液体流态进行了判断,其结果显示三维复合流场可以满足电解加工要求。开展了3种流场模式的加工速度比较实验,三维复合流场达到的进给速度最高,较二维流场可显著提升加工效率。采用三维复合流场开展了多叶片扇段加工,获得了较好的重复精度与表面质量。