固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置

摘要

一种固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置，包括固液两相流循环系统、压力传感器以及计算机后处理系统；固液两相流循环系统模型包括潜水泵、磨料箱、搅拌器、软管、具有结构化表面的约束流道和防止软性磨粒流溢出的溢流管；压力传感器包括应变片矩阵和预处理电路；计算机后处理系统：概率分布测试模块，用以通过计算机串口从所述的预处理电路中读取数字信号并进行分析处理，将fluent数值仿真中已经进行网格划分的每个区域的压力均值作为该处的压力信号基值，再从所述的预处理电路中得到的压力信号中滤去，最终得到固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力分布。本发明能比较精确地测量磨粒碰撞壁面的概率分布。

说明书

技术领域

本发明涉及软性磨粒流精密加工领域，是一种固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置。

背景技术

模具是工业生产的基本工艺设备，是国民经济的基础产业，如今我国已经成为了模具生产和消费的大国。随着汽车、电机、仪表、电器、电子、通信、家电、轻工等领域的迅速发展，对模具的要求越来越迫切，精度要求越来越高，结构要求也越来越复杂，模具生产技术的高低，已成为衡量一个国家产品的制造水平的重要标志。在模具制造过程中，为了消除模具表面所残留的机械加工痕迹，光整加工技术已经成为了必要的工艺环节，占整个模具制造时间的50％以上。面对模具制造中所涉及的沟、槽、孔、棱柱、窄缝等异型表面(本文将其定义为结构化表面)，利用现阶段借助工具接触或靠近待加工表面进行加工会在模具表面留下痕迹。软性磨粒流是由松散颗粒和液体混合而成，形成的具有弱黏性的液固两相流在被加工工件的结构化表面形成湍流流动，并配以约束模块，在加工工件表面形成约束流道，驱动磨粒对壁面进行多角度的微切微削作用，最终实现结构化表面的无工具化精密加工。

软性磨粒流结构化表面的结束流道内，由于流体相的驱动作用，磨粒与磨粒之间，磨粒与壁面之间发生碰撞，从而使得磨粒不断冲刷壁面，壁面受到颗粒的多角度切削作用而发生磨损。结构化表面的加工效果跟壁面碰撞的频率和压力直接有关，通过对软性磨粒流磨粒碰撞壁面的位置分析，可以很方便分析出磨粒作用壁面的具体位置以及磨损情况，从而为分析软性磨粒流加工提供理论依据。

在实际加工过程中，约束流道不但复杂而且狭窄，并且磨粒频繁高速碰撞壁面，无法真实观测颗粒作用壁面的概率分布情况，而现阶段的软性磨粒流加工主要集中于理论分析和实验仿真，在实验观测软性磨粒流碰撞结构化表面方面研究还比较薄弱。鉴于软性磨粒流在结构化表面进行精密加工中起到的重要作用，设计出一种固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布观测装置及方法对软性磨粒流的进一步研究具有其深远的意义。

发明内容

为了克服已有固液两相流的流道中无法真实测试磨粒碰撞壁面的概率分布的不足，本发明提供一种能比较精确地测量磨粒碰撞壁面的概率分布的固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置，所述概率分布测试装置包括固液两相流循环系统、压力传感器以及计算机后处理系统；

所述固液两相流循环系统模型包括潜水泵、磨料箱、搅拌器、软管、具有结构化表面的约束流道和防止软性磨粒流溢出的溢流管；所述的磨粒箱中放置潜水泵，所述的潜水泵通过所述的进口软管与所述的具有结构化表面的约束流道入口连接，所述的具有结构化表面约束流道出口与所述的出口软管相连，所述的出口软管与所述的磨料箱连接，所述磨粒箱中置有搅拌器，所述磨料箱下部侧面设有所述溢流管；

所述压力传感器包括应变片矩阵和预处理电路，所述应变片矩阵由一系列应变片密封粘结在金属薄片的下表面构成，并贴于具有结构化表面的约束流道的壁面上，利用fluent仿真得到流道内的压力分布，并根据压力梯度分布进行区域划分，所述的应变片矩阵根据压力划分区域进行粘贴；

所述计算机后处理系统：概率分布测试模块，用以通过计算机串口从所述的预处理电路中读取数字信号并进行分析处理，将fluent数值仿真中已经进行网格划分的每个区域的压力均值作为该处的压力信号基值，再从所述的预处理电路中得到的压力信号中滤去，最终得到固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力分布。

进一步，所述具有结构化表面约束流道截面进口大出口小，所述具有结构化表面的约束流道置于实验工作台上，所述具有结构化表面的约束流道左右两侧分别连接进口软管和出口软管，所述进口软管连通所述潜水泵和所述具有结构化表面的约束流道，所述出口软管连通所述具有结构化表面的约束流道和所述磨料箱。

再进一步，所述预处理电路包括惠更斯电桥、放大器、A/D转换器、存储器和处理器，所述的应变片矩阵能够将固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力转化为电阻的变化，所述的惠更斯电桥将所述的应变片矩阵的电阻变化转化为电压的变化，并经过所述的放大器和A/D转换器转化成数字信号，存储于所述的存储器中。

本发明的技术构思为：该测试装置由固液两相流循环系统、压力传感器以及计算机后处理系统三部分组成。固液两相流循环系统中，潜水泵将含有磨粒的固液两相流通过入口软管打入具有结构化表面的约束流道，形成湍流。磨粒流在湍流的驱动作用下，与粘于结构化表面的应变片矩阵的金属片上表面发生不同角度频繁碰撞作用，使金属片在磨粒流撞击作用下发生变形，应变片将金属片不同位置的应变转化为电阻的变化，预处理电路把应变片电阻信号转变为电压信号，经存储器存储，而由存储器中存储的电压信号包括金属片受到磨粒碰撞壁面的形变和水压引起的形变，去除水流压力作用的形变电压信号才是我们测试所需要的。其中，磨粒作用在内壁面上的压力是由碰撞产生的。一个磨粒和内壁面的碰撞时间是极其短暂的，它施于内壁面的作用力是不连续的，但大量磨粒频繁地碰撞器壁，从宏观上看，可以认为磨粒对内壁面的作用力是持续的、均匀的。从单个磨粒角度来看，磨粒的质量越大，速度越大，即磨粒的平均动能越大，每个磨粒撞一次内壁面对内壁面的作用力越大，而单位时间内磨粒撞击器壁的次数越多，对器壁的总压力也越大，而撞击次数又取决于单位体积内磨粒数(磨粒的密集程度)和平均动能。所以磨粒作用于内壁面的压力决定于磨粒的平均动能和密集程度。在此基础上，后处理分析软件通过计算机串口从预处理电路的存储器中读取数字信号并进行分析处理。后处理分析软件根据压力值在检测时间内的积分，定性地揭示检测时间内在所述的应变片矩阵中每个应变单元对应区域内与所述的内壁面发生碰撞时的磨粒的平均动能、密集程度及水压。对应变片矩阵内每个应变单元对应的区域的压力值进行积分，得到应变片矩阵内不同位置磨粒碰撞内壁面的平均动能、密集程度及水压共同作用的压力分布，后处理过程将所述的fluent数值仿真中已经进行网格划分的每个区域的压力均值作为该处的压力信号基值，从对应位置的压力信号中滤去，最终得到固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力分布，并用云图的形式显示在计算机屏幕上。

本发明的有益效果在于：结构简单、操作便捷；在无法肉眼观测磨粒碰撞壁面的情况下，能够对实际加工过程中磨粒在不同壁面碰撞概率分布进行测试，准确判断出固液两相流中磨粒的加工效果，为研究固液两相流进行无工具精密加工提供实验依据，为进一步分析固液两相流中磨粒对不同壁面的加工效果奠定基础。

附图说明

图1是本发明装置的部件构成图。

图2是本发明装置的整体结构示意图。

图3是本发明装置的流道内应变片矩阵安装位置示意图。

图4是本发明装置的应变片矩阵结构示意图。

图5是本发明装置预处理电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的概率分布测试装置及方法，包括固液两相流循环系统1、压力传感器2以及计算机后处理系统3，所述固液两相流循环系统1包括潜水泵11、磨料箱12、搅拌器15、进口软管14、出口软管17、具有结构化表面的约束流道18和溢流管16，所述压力传感器2包括应变片矩阵21和预处理电路22，所述应变片矩阵21由一系列应变片211密封粘结在金属薄片212的下表面构成，并贴于具有结构化表面的约束流道18的壁面上，所述预处理电路包括惠更斯电桥、放大器、A/D转换器、存储器和处理器，所述计算机后处理系统3包括具有存储运算功能的计算机31和具有后处理功能的分析软件。

所述的磨粒箱中放置潜水泵11，所述的潜水泵11通过所述的进口软管14与具有结构化表面的约束流道18入口连接，具有结构化表面约束流道18出口与所述的出口软管17相连，所述的出口软管17与所述的磨料箱12连接。

所述磨粒箱12中置有搅拌器15，所述搅拌器15确保固液两相流磨粒分布均匀，所述磨料箱12下部侧面设有防止软性磨粒流溢出的溢流管16。

所述具有结构化表面约束流道18截面进口大出口小，所述具有结构化表面的约束流道18置于实验工作台上，所述具有结构化表面的约束流道18左右两侧分别连接进口软管14和出口软管17，所述进口软管14连通所述潜水泵11和所述具有结构化表面的约束流道18，所述出口软管17连通所述具有结构化表面的约束流道18和所述磨料箱12。

所述的应变片矩阵21能够将固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力转化为电阻的变化，所述的惠更斯电桥将所述的应变片矩阵的电阻变化转化为电压的变化，并经过所述的放大器和A/D转换器转化成数字信号，存储于所述的存储器中。

所述的后处理分析软件3通过所述的计算机串口从所述的存储器中读取数字信号并进行分析处理，后处理过程将所述的fluent数值仿真中已经进行网格划分的每个区域的压力均值作为该处的压力信号基值，从存储器中得到的压力信号中滤去，最终得到固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力分布。

本实施例的测试装置由固液两相流循环系统1、压力传感器2以及计算机后处理系统3三部分组成。固液两相流循环系统1中，潜水泵11将含有磨粒的固液两相流通过入口软管打入具有结构化表面的约束流道18，形成湍流。磨粒在湍流的驱动作用下，与粘于结构化表面的应变片矩阵21的金属片212上表面发生不同角度频繁碰撞作用，使金属片212在磨粒撞击作用下发生变形，应变片211将金属片212不同位置的应变转化为电阻的变化，预处理电路22把应变片211电阻信号转变为电压信号，经存储器存储。而由存储器中存储的电压信号包括金属片212受到磨粒碰撞壁面的形变和水压引起的形变，去除水流压力作用的形变电压信号才是我们测试所需要的。其中，磨粒作用在内壁面上的压力是由碰撞产生的。一个磨粒和内壁面的碰撞时间是极其短暂的。它施于内壁面的作用力是不连续的，但大量磨粒频繁地碰撞器壁，从宏观上看，可以认为磨粒对内壁面的作用力是持续的、均匀的。从单个磨粒角度来看，磨粒的质量越大，速度越大，即磨粒的平均动能越大，每个磨粒撞一次内壁面对内壁面的作用力越大，而单位时间内磨粒撞击器壁的次数越多，对器壁的总压力也越大，而撞击次数又取决于单位体积内磨粒数(磨粒的密集程度)和平均动能。所以磨粒作用于内壁面的压力决定于磨粒的平均动能和密集程度。在此基础上，后处理分析软件通过计算机串口从预处理电路22的存储器中读取数字信号并进行分析处理。后处理分析软件根据压力值在检测时间内的积分，定性地揭示检测时间内在所述的应变片矩阵21中每个应变单元对应区域内与所述的内壁面发生碰撞时的磨粒的平均动能、密集程度及水压。对应变片矩阵21内每个应变单元对应的区域的压力值进行积分，得到应变片矩阵内不同位置磨粒碰撞内壁面的平均动能、密集程度及水压共同作用的压力分布，后处理过程将所述的fluent数值仿真中已经进行网格划分的每个区域的压力均值作为该处的压力信号基值，从对应位置的压力信号中滤去，最终得到固液两相流中磨粒在不同位置碰撞壁面的压力分布，并用云图的形式显示在计算机屏幕上。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。