[发明专利]基于水平集的软性磨粒流流场测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及磨粒流加工领域，尤其是一种软性磨粒流的结构化表面无工具加 工中的流场测试方法。

背景技术

目前，模具领域对结构化表面的粗糙度要求越来越高，例如精密注塑模具， 不但对注塑件表面对应的模具面的粗糙度有极高要求，甚至对于注塑流道的粗糙 度也有很高要求。对于尺寸小或几何形态特殊的结构化表面难以使用工具进行接 触式光整加工，如抛光或研磨，无论自动化或手工加工都是如此，这一问题目前 尚无有效方法解决，且缺乏深入的研究。鉴于模具应用量大面广，其制造水平直 接影响制造业的整体水平，因此对模具结构化表面光整加工方法的研究，具有重 要的现实意义。

所谓的软性磨粒流是一种液-固两相磨粒流，具有弱黏性或无黏性，因此具有 更好的流动特性并可实现湍流流动，基于软性磨粒流实现模具结构化表面无工具 精密加工的原理是：(1)通过在被加工的结构化表面附近配置约束模块，构成磨 粒流约束流道，使被加工表面成为流道壁面的一部分；(2)以约束流道内流动的 软性磨粒流替代加工工具实现对被加工表面的光整加工；(3)软性磨粒流的有效加 工是在湍流状态下进行，它不是通过射流的形式强力冲击被加工表面，而是利用 磨粒的微力微量切削的频繁作用实现表面的逐步光整，湍流流场中的磨粒运动的 随机性实现了表面纹理无序化，直至实现结构化表面无工具镜面级加工。

发明内容

为了克服已有软性磨粒流流场的计算精度低、无法准确得到最佳加工状态的 不足，本发明提供一种提高计算精度、准确得到最佳加工状态的基于水平集的软 性磨粒流流场测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于水平集的软性磨粒流流场测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

1)通过与流体Navier-Stokes方程结合，建立软性磨粒流的水平集函数的运动方程；

2)对空间作离散化和投影：用一组有限个离散的点来代替原来的连续空间，同时 经投影作用使得有散度的转化为无散度的量；

3)对时间作离散化；

4)水平集函数与流体体积模型(Volume of fluid Method，VOF)函数的结合进行迭 代；

5)距离函数的重构：重构就是在已知函数分段平均值的情况下，构造满足一定精 度下的原函数分布，由于数值方法的内在效应，经过若干演算时间后，原距离函 数已不再满足要求，通过求解初始问题的稳定解来实现；

6)对软性磨粒流流场的测试：利用水平集方法的有效捕捉界面发生拓扑变化的原 理，对流场特性进行较好地分析，找到最佳的加工状态。

进一步，所述软性磨粒流是松散磨粒与流体混合，构成液-固两相或气-固两 相磨粒流。

再进一步，所述步骤1)中，利用连续介质表面Φ(x，t)来描述两相流的界面边 界，计算域内其他计算点处Φ值则表示该点到相界面的距离，其定义为Φ＝Const， 即t时刻时，边界零水平集Φ：

Γ＝{x|Φ(x，t)＝0}                                        (1)

在磨粒运动过程中Φ遵循的守恒方程：

∂Φ∂t+u·▿Φ=0---(2)]]>

式(2)中：u为流场中的速度矢量；为Φ的梯度

在此设Φ＜0为磨粒流区(l₁)，Φ＞0为流体区(l₂)，则有：