Mateusz Stajuda, Krzysztof Sobczak, Ryszard Wójcik: Symulacja
Transkrypt
Mateusz Stajuda, Krzysztof Sobczak, Ryszard Wójcik: Symulacja
1318 MECHANIK NR 10/2016 Symulacja numeryczna przepływu chłodziwa w procesie szlifowania Numerical simulation of coolant flow in grinding Mateusz Stajuda Krzysztof Sobczak Ryszard Wójcik * Celem badań jest opracowanie zaawansowanego modelu numerycznego przepływu płynu chłodząco-smarującego w procesie szlifowania. W zrealizowanej części projektu przeprowadzono symulacje przepływu powietrza jako medium chłodzącego. W artykule przedstawiono wpływ różnych ustawień kątowych i prędkości wypływu z dyszy na przepływ płynu przez strefę szlifowania. SŁOWA KLUCZOWE: symulacje CFD procesu szlifowania, model numeryczny, chłodzenie The objective of the project is to develop an advanced numerical model of a coolant flow in grinding. The accomplished part presented in this article allowed to simulate the flow of air as a cooling medium. The article presents an influence of different angular positions of the nozzle and outflow velocities on the useful flow rate. KEYWORDS: CFD grinding simulations, numerical model, cooling Szlifowanie jest bardzo złożonym procesem obróbki o ogromnym znaczeniu we współczesnym przemyśle. Specyfika tego procesu powoduje, że większa część dostarczanej energii jest przekształcana w ciepło. Energia cieplna generowana w procesie szlifowania nawet w 85% trafia do obrabianego elementu [1]. Nadmierny wzrost temperatury może prowadzić do nieakceptowalnych uszkodzeń jego warstwy wierzchniej [2, 3]. W celu poprawy wydajności procesu przy jednoczesnym uniknięciu uszkodzeń termicznych, niezbędne jest zastosowanie chłodzenia. Metody podawania płynów chłodząco-smarujących są równe. Przy ich opracowywaniu i optymalizacji bazowano na badaniach eksperymentalnych, które w przypadku tak złożonych procesów są drogie i czasochłonne. Pozwalają one na uzyskanie informacji o skuteczności tych procesów bez możliwości precyzyjnej analizy zjawisk, zachodzących podczas przepływu płynu w strefie szlifowania. Brak jest szczegółowych danych, które mogą być pomocne przy optymalizacji tego procesu. Rozwój metod numerycznych towarzyszący wzrostowi mocy obliczeniowej komputerów umożliwił symulację wielu procesów, w tym także przepływów płynów w procesie szlifowania. Publikacje dotyczące symulacji numerycznych przepływów w procesie szlifowania nie są liczne. Wynika to z dużej złożoności procesów przepływu płynów i wymiany ciepła w strefie szlifowania. W większości przypadków prezentowane badania prowadzone są w odniesieniu do wybranych aspektów procesu. Najczęściej podejmowane są badania nad kształtem dyszy doprowadzającej czynnik chłodzący [4] i jego optymalizacją [5]. Analizowane były również charakter przepływu czynnika w obszarze ściernica–przedmiot, tworzenie poduszki powietrznej na ściernicy * Inż. Mateusz Stajuda ([email protected]), dr inż. Krzysztof Sobczak ([email protected]), dr hab. Inż. Ryszard Wójcik ([email protected]) – Politechnika Łódzka DOI: 10.17814/mechanik.2016.10.341 i wpływ jej zgarniacza na zachowanie przepływu [4, 6]. Rozpatrywany był też wpływ prędkości ściernicy i parametrów strumienia powietrza oraz płynów na wymianę ciepła [7]. Z prac tych wynika, że dodatek oleju do strumienia powietrza pozytywnie wpływa na współczynnik wymiany ciepła. W analizowanych pracach badano wpływ ustawienia kątowego i odległości dyszy, prędkości wylotowej płynu na proces chłodzenia [8]. Stwierdzono, że strumienie o niskich prędkościach są mniej efektywne, ponieważ nie są w stanie przedostać się do strefy szlifowania z powodu warstwy przyściennej na wirującej ściernicy. Wykazano także, że kąt i odległość dyszy od strefy szlifowania mają kluczowy wpływ na wartość współczynnika wymiany ciepła. Niestety, żaden z tych artykułów nie podawał informacji o użytym modelu numerycznym i jego jakości, a we wnioskach przedstawiane były jedynie ogólne wytyczne. W pracy Mihicia i in. [9] przedstawiono szczegółowe symulacje przepływu w procesie szlifowania płaszczyzn metodą strumieniowo-ciśnieniową. W tym celu zostały wykorzystane 2 modele. Pierwszy, ogólny, który obejmował całą ściernicę i obszar dookoła niej, został wykorzystany do wyznaczenia warunków brzegowych dla drugiego modelu. Z kolei drugi, bardziej szczegółowy model obejmował wycinek strefy ściernica–przedmiot, dyszę i część domeny otaczającej strefę szlifowania. W tym przypadku interesującym podejściem było zdefiniowanie obszaru ściernicy obracającej i stykającej się z próbką domeny porowatej. Dzięki temu lepiej zamodelowano przepływ, a prezentowane wyniki wykazywały zgodność z danymi eksperymentalnymi. Wydaje się jednak, że autorzy nie ustrzegli się błędu wynikającego z transferu danych przez interfejs pomiędzy stacjonarną domeną powietrzną a wirującą domeną porowatą. Podjęta przez nas próba użycia podobnego podejścia wskazała na istotne błędy numeryczne generowane na tym interfejsie, wynikające z jego ograniczeń. W efekcie opracowano nowy model numeryczny, który wykorzystano do określenia wpływu różnych ustawień kątowych dyszy i prędkości wypływu z niej czynnika na jego aktywność w strefie szlifowania. Model numeryczny i wyniki symulacji W Instytucie Maszyn Przepływowych Politechniki Łódzkiej prowadzone są prace nad rozwojem modelu numerycznego procesu szlifowania w oparciu o oprogramowanie firmy ANSYS (solver ANSYS CFX). W pierwszym etapie prac skupiono się nad rozwiązaniem problemów wynikających ze zmienności wielkości szczeliny pomiędzy czynną powierzchnią ściernicy a powierzchnią próbki, co stanowi ogromne wyzwanie związane z generacją siatki i postawieniem odpowiednich warunków brzegowych, a także interfejsów pomiędzy częściami domeny obliczeniowej związanymi z nieruchomą próbką i wirującą ściernicą. Degradacja jakości siatki obliczeniowej przy zbliżaniu się do strefy kontaktu ściernicy z elementem może być źródłem dużych błędów numerycznych. W zaproponowanym po- MECHANIK NR 10/2016 + + dejściu zdecydowano się zdefiniować ściernicę w układzie taktu zz elementem może być być źródłem źródłem dużych błętaktu ściernicy ściernicy elementem może dużych błęwirującym w postaci nieprzepuszczalnej bryły otoczonej dów numerycznych. W zaproponowanym podejściu zdecydów numerycznych. W zaproponowanym podejściu zdecystrefą ciała porowatego o grubości odpowiadającej trzykrotdowano ściernicę w w układzie wirującym wirującym dowano się się zdefiniować zdefiniować ściernicę układzie ww postaci nieprzepuszczalnej bryły otoczonej strefą ciała poności wysokości ziaren na jej powierzchni. W samej strefie postaci nieprzepuszczalnej bryły otoczonej strefą ciała porowatego odpowiadającej trzykrotności wysokoszlifowania wprowadzono stacjonarną (pominięto posuw rowatego oo grubości grubości odpowiadającej trzykrotności wysokości ziaren na jej powierzchni. W samej strefie szlifowania elementu) porowatą W o grubości 0,8 szlifowania μm będącą ści ziaren domenę na jej powierzchni. samej strefie wprowadzono (pominięto posuw elementu) wprowadzono stacjonarną stacjonarną (pominięto posuw odzwierciedleniem chropowatości próbki po elementu) wcześniejdomenę porowatą o grubości 0,8 mikrometra będącą oddomenę porowatą o grubości np. 0,8 frezowaniu. mikrometra będącą odszym procesie obróbkowym, Wszystko to zwierciedleniem chropowatości próbki po po wcześniejszym wcześniejszym zwierciedleniem chropowatości próbki połączono ze stacjonarną domeną przepływową otaczaprocesie obróbkowym, np. frezowaniu. frezowaniu. Wszystko Wszystko to to połąpołąprocesie obróbkowym, np. jącą ściernicę oraz szlifowaną (rys. 1).otaczającą W efekcie czono domenąpróbką przepływową czono ze ze stacjonarną stacjonarną domeną przepływową otaczającą możliwe było poprawne zastosowanie interfejsów przekaściernicę próbką (rys. (rys. 1). 1). W W efekcie efekcie możliwe możliwe ściernicę oraz oraz szlifowaną szlifowaną próbką zujących dane pomiędzy częściami domeny w wirującym było poprawne zastosowanie interfejsów przekazujących było poprawne zastosowanie interfejsów przekazujących pomiędzy częściami domeny w w wirującym wirującym stacjonari dane stacjonarnym Uzyskano podejście dane pomiędzy układzie częściamiodniesienia. domeny ii stacjonarnym W oddać efekciefizykę uzyskano podejście pozwalające dobry sposób zjawiska i uniknym układzie układziew odniesienia. odniesienia. W efekcie uzyskano podejście pozwalające w sposóbzauważonych oddać fizykę fizykę zjawiska zjawiska unikpozwalające w dobry dobry sposób oddać i i uniknąć błędów numerycznych w literaturze [9]. nąć numerycznych zauważonych w przy literaturze [9]. nąć błędów błędówobejmowała zauważonych w literaturze [9]. Symulacja połowę ściernicy założeniu Symulacja obejmowała połowę połowę ściernicy ściernicy przy przy założeniu założeniu Symulacja symetrii zadania. MecHaNiK Nr .../20... MecHaNiK Nr .../20... 1319 przeprowadzonych symulacji były jakościowo Rys. Wytniki 3. Zależność przepływu użytecznego od prędkości wypływu Rys. 3. Zależność przepływu użytecznego od prędkości wypływu czynnika chłodzącego zliteraturowymi dyszy zgodne z danymi [7, 8]. Największy aktywczynnika chłodzącego z dyszy Wny efekcie przeprowadzonych symulacji otrzymano wyniki przepływ uzyskano dla pozycji ustawienia dyszy styczW efekcie przeprowadzonych symulacji otrzymano wyniki jakościowo zgodnezzdanymi danymi literaturowymi Najwięknej, a najmniejszy dla pozycji prostopadłej do ściernicy jakościowo zgodne literaturowymi [7,[7,8].8].Największy aktywny przepływuzyskano uzyskano dlapozycji pozycji ustawienia dy-wraz szy aktywny przepływ dla ustawienia dy(rys. 2). Zaobserwowano także wzrost przepływu szy stycznej, stycznej, aa najmniejszy najmniejszy dla dla pozycji pozycjiprostopadłej prostopadłejdodo szy ze wzrostem prędkości czynnika wypływającego z dyszy ściernicy(rys. (rys.2). 2).Zaobserwowano Zaobserwowanotakże takżewzrost wzrostprzepływu przepływu ściernicy (rys.ze 3). wzrostem Na rys. 4 prędkości przedstawiono liniewypływającego prądu obrazująwraz czynnika wraz ze wzrostem prędkości czynnika wypływającego ce charakter przepływu czynnikalinie chłodzącego w strefie dyszy (rys.3). 3).Rys. Rys.44przedstawia przedstawia prąduobrazujące obrazujące zzdyszy (rys. linie prądu szlifowania. Pomimo dużej prędkości wypływu z dyszy, charakter przepływu czynnika chłodzącego w strefie szlifocharakter przepływu czynnika chłodzącego w strefie szlifoczynnik, napotykając obszarwypływu wysokiego ciśnienia (powowania. Pomimo dużejprędkości prędkości wypływu dyszy, czynnik wania. Pomimo dużej z zdyszy, czynnik napotykając obszar wysokiego ciśnienia (powodowany dowany przez zbieżność szczeliny pomiędzy elementem napotykając obszar wysokiego ciśnienia (powodowany przez zbieżnośćszczeliny szczelinypomiędzy pomiędzy elementem aściernicą) ściernicą) a ściernicą), rozprasza się i jedynie małaajego część doprzez zbieżność elementem rozprasza się jedynie małajego jegoczęść częśćdostaje dostajesię siędodostrefy strefy rozprasza się i ijedynie staje się do strefy mała szlifowania. szlifowania. szlifowania. symetrii symetrii zadania. Rys. 4. Wizualizacja charakteru przepływu dla dyszy ustawionej pod kątem 0º Rys. 4.4. Wizualizacja Rys. Wizualizacjacharakteru charakteruprzepływu przepływudla dladyszy dyszyustawionej ustawionej Podsumowanie pod podkątem kątem0º0º Udało się opracować zaawansowany model numeryczny Podsumowanie Podsumowanie Rys. 1. Widok domeny obliczeniowej, ściernicy (kolor szary), próbki (kolor niebieski) oraz strefy szlifowania (kolor czerwony) Rys. 1. 1. Widok Widok domeny domeny obliczeniowej, Rys. obliczeniowej, ściernicy ściernicy (kolor (kolor szary), szary), próbki próbki (kolor niebieski)badań oraz strefy strefy szlifowania czerwony) (kolor niebieski) oraz szlifowania (kolor (kolor czerwony) działania W ramach weryfikujących poprawność modelu wykonano symulacje dla przepływu powietrza jako W ramach ramach przeprowadzonych badań W przeprowadzonych badań weryfikujących weryfikujących medium i różnych kątów ustawienia dyszy. Rozważono poprawność działania modelu, wykonano symulacje dla poprawność działania modelu, wykonano symulacje dla przepływu powietrza stycznego jako różnych ustawiezakres od kierunku doii ściernicy w punkcie styprzepływu powietrza jako medium medium różnych kątów kątów ustawieniaz dyszy. dyszy. Rozważono zakres stycznego do ku próbkąRozważono (kąt –3° mierzone odkierunku poziomu) do kierunku nia zakres od od kierunku stycznego do ściernicy w w punkcie punkcie styku (kąt -3° prostopadłego do powierzchni ściernicy 72°). Dlaod najściernicy styku zz próbką próbką (kąt (kąt -3° mierzone mierzone od poziomu) do kierunku prostopadłego do powierzchni poziomu) do kierunku prostopadłego do powierzchni ścierścierlepszej pozycji kątowej (kąt –3°), zasymulowane zostały nicy (kąt (kąt 72°). 72°). Dla Dla najlepszej najlepszej pozycji -3°), nicy pozycji kątowej, kątowej, (kąt (kąt -3°), zaza-że różne prędkości wypływu czynnika. Przyjęto założenie, symulowane zostały zostały różne prędkości wypływu czynnika. symulowane różne prędkości wypływu czynnika. oPrzyjęto jakości chłodzenia decyduje ilość czynnika przepływajązałożenie, że Przyjęto założenie, że o o jakości jakości chłodzenia chłodzenia decyduje decyduje ilość ilość cego przez strefę szlifowania. czynnika przepływającego przez strefę szlifowania. Przepływ Przepływużyteczny użyteczny [%] [%] czynnika przepływającego przez strefę szlifowania. 3 3 2,5 2,5 2 2 1,5 1,5 1 1 0,5 0,5 0 0 przepływu czynnika chłodzącego przez strefę szlifowania. Zaproponowane podejście pozwoliło wyeliminować W wstępnego W ramach ramach wstępnegoetapu etapuprac pracudało udałosię sięopracować opracować zaawansowany model numeryczny przepływu czynnika błędy numeryczne opisanych w literaturze. Zasyzaawansowany modelmodeli numeryczny przepływu czynnika chłodzącego szlifowania. Zaproponowane pochłodzącego przezstrefę strefę szlifowania. Zaproponowane pomulowanoprzez przepływ powietrza jako czynnika chłodzącego dejście pozwoliło błędy numeryczne modeli dejście pozwoliło wyeliminować wyeliminować błędy numeryczne modeli dla wybranych warunków jego napływu i potwierdzono opisanych w literaturze Zasymulowano przepływ powietrza opisanych w literaturze Zasymulowano przepływ powietrza jakościową zgodność otrzymanych wyników z danymi jako czynnika dla warunków jego jako czynnika chłodzącego chłodzącego dlawybranych wybranych warunków jego literaturowymi. Dalsze prace będą miały na celu m.in. napływu napływu i ipotwierdzono potwierdzonojakościową jakościowązgodność zgodnośćotrzymanych otrzymanych wzbogacenie modelu o zjawiska związane z generacją wyników wynikówzzdanymi danymiliteraturowymi. literaturowymi.Dalsze Dalszeprace pracebędą będąmiały miały i wymianą ciepła w strefie szlifowania orazzwiązane modelowanie na zz na celu celu m.in. m.in.wzbogacenie wzbogaceniemodelu modeluo ozjawiska zjawiskazwiązane przepływów dwufazowych, a przez to wprowadzenie generacją i wymianą ciepła w strefie szlifowania oraz modegeneracją i wymianą ciepła w strefie szlifowania oraz mode- do lowanie przepływów dwufazowych, a aprzez wprowadzestrumienia powietrza drobin olejowych. Pozwoli to symulowanie przepływów dwufazowych, przeztoto wprowadzenie do strumienia powietrza drobin olejowych. Pozwoli lować złożone procesy występujące podczas podawania nie do strumienia powietrza drobin olejowych. Pozwolitoto przykładowo symulować występujące podpłynów chłodząco-smarujących z minimalnym wydatkiem przykładowo symulowaćzłożone złożoneprocesy procesy występujące podczas podawania płynów chłodząco-smarujących z minimalczas podawania płynów chłodząco-smarujących z minimalw strefę przedmiot–ściernica (MQL). Niezbędne będzie nym wydatkiem strefę metodą MQL. nym wydatkiemwwtransportu strefęprzedmiot-ściernica, przedmiot-ściernica, metodą MQL. uwzględnienie chłodziwa wewnątrz porów ścierW tym niezbędne będzie Wnicy tymi celu celu niezbędne będzie uwzględnienie uwzględnienietransportu transportu na jej powierzchni. chłodziwa wewnątrz porów ściernicy jak i na jej powierzchni. chłodziwa wewnątrz porów ściernicy jak i na jej powierzchni. LITERATURA LITERATURA LITERATURA Przepływ użyteczny Przepływ użyteczny [%] [%] 1.Malkin “Thermal aspects of grinding, PartPart 1: Energy 1. Malkin S. S., andAnderson AndersonR.B. R. B. “Thermal aspects of grinding, 1. Malkin S. and Anderson R. 96 B. “Thermal aspects of grinding, Part J. Eng. Ind. Vol. 1177÷1183. 1 -partition”. energy partition”. J. Eng. Ind.(1974): Vol. 96pp. (1974) pp. 1177-1183. 1 - energy partition”. J. Eng. Ind. Vol. 96 (1974) pp. 1177-1183. 2.Malkin CIRP AnnAnn-Manuf. 2. Malkin S. S., andGuo GuoC. C. “Thermal “Thermal analysis analysis of of grinding”. grinding”. CIRP 2. Malkin S.Vol. and56Guo C. “Thermal analysis of grinding”. CIRP AnnTechn. (2007): pp. 760÷782. Manuf. Techn. Vol. 56. (2007): pp. 760-782. Manuf. Techn. Vol. 56. R. (2007): pp. 760-782. 3.Kruszyński Wójcik “Residual stresses in grinding”. J. Mater. 3. Kruszyński B.B., and Wójcik R. “Residual stresses in grinding”. J. Pro3.Mater. Kruszyński and Wójcik R.pp. “Residual cess.Process. Tech.B.Vol. 109 (2001): 254÷257. Tech. Vol. 109 (2001): pp. stresses 254-257. in grinding”. J. Mater. Process. Tech. A. Vol. (2001): pp. 254-257. -5 5 15 25 35 45 55 65 75 4.Morgan Jackson A.R., Wu H.,Baines-Jones Baines-Jones V., Batako A., 4. Morgan M. M.N., N., Jackson R.,109 Wu H., V., A. Rowe -5 5 15 25 35 45 55 65 75 4.and Morgan M. N.,W.Jackson A. R.,application Wu H., Baines-Jones V., Batako W.B. “Optimisation fluid grinding”. CIRP Ann-Manuf. Rowe B. of“Optimisation of in fluid application inA. Pozycja kątowa dyszy [ᵒ] and Rowe W.(2008): B. Techn. “Optimisation of fluid application in Techn. Vol. 57 pp. 363÷366. Pozycja kątowa dyszy [ᵒ] ing”. CIRP Ann-Manuf. Vol. 57 (2008): pp. 363-366. Rys. 2. Zależnośćprzepływu przepływu użytecznegoododpozycji pozycjikątowej kątowej dyszy ing”. CIRP Ann-Manuf. Techn. Vol. 57 (2008): 363-366. 5.Lopez-Arraiza Castillo G.,Dhakli Dhakli H.N., R. “High Rys. dyszy 5. Lopez-Arraiza A.,A.,Castillo G., H. N. Alberdi and pp. Alberdi R. performance “High Rys.2.2.Zależność Zależność przepływuużytecznego użytecznego od pozycji kątowej dyszy 5.performance Lopez-Arraiza A., Castillo G., Dhakli H. N. and Alberdi “High composite nozzle for thenozzle improvement of cooling”. Compos. Part B-Eng. composite for the improvement ofR.cool4 performance composite nozzle for thepp. improvement of cooling”. Compos. Part B-Eng. Vol. 54 (2013): 313-318. Vol. 54 (2013): pp. 313÷318. 4 ing”. Compos. PartChung B-Eng.J.B., 54 (2013): 313-318. 6. 6.Schumack Schumack M.M.R., R., J.Vol. B.,Schultz Schultz W.pp.W. and KannateyChung W.W., Kannatey-Asibu E. “Anal3 6.Asibu Schumack M.flow R., under Chung J. B., Schultz W. W.wheel”. and KannateyE. “Analyses of fluid flow under a grinding J. Eng. yses of fluid a grinding wheel”. J. Eng. Ind. Vol. 113 (1991): 3 Asibu E. “Analyses of fluid flow under a grinding wheel”. J. Eng. Ind.pp. Vol. 113 (1991): pp. 190-197. 190÷197. 2 Ind. Vol. 113 (1991): pp. 190-197. 7. Zhang J., J., Tan X.,X., Liu and Zhu X., “Investigation for convective 7.Zhang Tan LiuB. B., Zhu X. “Investigation for convective heat trans2 7.heat Zhang J., Tanon X.,work-piece Liu B. and Zhu X.,subjected “Investigation for convective transfer grinding work-piece surfacetosubjected to jet”. an Appl. fer on grinding surface an impinging 1 heat transfer on grinding work-piece surfacepp. subjected impinging Therm. Eng. 51 (2013): 653-661.to an Therm. jet”. Eng.Appl. Vol. 51 (2013): pp.Vol. 653÷661. 1 impinging jet”. Appl. Therm. Eng. Vol. Torrance 51 (2013):A.pp. 653-661. 8. 8.O’Donovan O'Donovan T.T.S., S., Murray B. Torrance and “Jet heat in the Murray D. D.B., A.A. “Jet A. heat transfer 0 8.transfer O'Donovan T. S., Murray D. B.grinding and Torrance A. A. “JetEng. heat inofthe vicinity of a rotating wheel”. J.Sci. Mech. vicinity a rotating grinding wheel”. J. Mech. Eng. Vol. 220 (2006): 0 50 70 90 110 130 transfer in the vicinity of837-845. a rotating grinding wheel”. J. Mech. Eng. Sci. Vol. 220 (2006): pp. pp. 837÷845. 50 70 90 z dyszy [m/s] 110 130 Sci. Vol. 220 (2006): pp. 837-845. 9. Mihić S.,S., Cioc S.,S., Marinescu I. and Weismiller Detailed study Prędkość wypływu 9.Mihić Cioc Marinescu I., Weismiller M.M.“ “Detailed study of a fluid 9.ofMihić S., flow Ciocand S., Marinescu I. and Weismiller M.“ Detailed study Prędkość wypływu z dyszy [m/s] a fluid heat transfer in the abrasive flow and heat transfer in the abrasive grindinggrinding contact contact using compuof a fluid flow and heat transfer in the abrasive grinding contact Rys. 3. Zależność przepływu użytecznego od prędkości wypływu czynnika tational fluid dynamics methods”. J. Manuf. Sci. Eng. Vol. 135 (2013): chłodzącego z dyszy pp. 2÷13. ■