第9卷 第20期 Vol.9 No.20 2016 年 10 月 October 2016

雾化参数对 CMQL 油-气流场中 油滴特性的影响

张成良，张 松，吕 盈，张 涛*

（山东大学机械工程学院，高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061）

摘要：利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）方法研究低温微量润滑（cryogenic minimum

quantity lubrication，CMQL）切削条件下雾化参数对油滴特性的影响规律，并对雾化参数进行优化。首先，通

过测量喷嘴尺寸，建立精确的计算域三维模型，并划分网格；然后，确定控制方程、施加边界条件；最后，

利用正交仿真实验，分析不同雾化参数下低温油-气混合流场中油滴特性的变化规律。研究表明，降低空气温

度、增大气体流量并增加切削油的使用量可以获得温度低、运动速度快、尺寸较小且分布均匀的油滴，有利

于充分发挥低温油-气切削介质的冷却、润滑作用。

关键词：计算机辅助制造；计算流体动力学；低温微量润滑；雾化参数；油滴特性 中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2016)20-2066-08

Effect of atomization parameters on oil droplets characteristics in oil-air flow field of CMQL

ZHANG Chengliang, ZHANG Song, LÜ Ying, ZHANG Tao

(Key Laboratory of High-Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education, School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

Abstract: The effect of atomization parameters on oil droplets characteristics in cryogenic minium quantity lubrication (CMQL) cutting condition was studied by means of computational fluid dynamics (CFD) method, and the optimization of atomization parameters was carried out. Firstly, the dimensions of the atomizer were measured to establish the model of computational domain, and the grid was partitioned. Secondly, the governing equations were determined, and the boundary conditions were applied. Finally, an orthogonal simulating experimental method was designed to investigate the oil droplets characteristics with different atomization parameters. The simulating results indicate that oil mist with low temperature, high velocity and small size can be obtained from cryogenic air, large air flow rate and cutting oil flow rate, which is beneficial to improving the cooling and lubrication function of cryogenic oil-air cutting medium. Key words: computer aided manufacturing; computational fluid dynamics; cryogenic minimum quantity lubrication; atomization parameters; oil droplets characteristics

0 引言 在传统切削加工中，过度使用切削液造成了一系列问题，对自然环境及机床操作人员的健康构成威

胁[1~2]，也使得生产成本居高不下[3]。因此，一种新的冷却、润滑方式受到人们越来越多的关注，即利用

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20120131110016）；国家自然科学基金（51575321） 作者简介：张成良（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向：切削加工过程中的冷却润滑机理 通信联系人：张松，教授，主要研究方向：高效切削机理及表面完整性、加工仿真等. E-mail: zhangsong@sdu.edu.cn

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冷却后的压缩空气将雾化的切削油输送至切削区域以发挥冷却、润滑作用，这就是 CMQL 切削技术。

CMQL 切削技术能有效减小切削力，延长刀具寿命，获得良好的加工质量[4~5]。 低温油-气混合流场中，油滴的尺寸、速度及温度等参数对冷却、润滑作用的发挥至关重要。CFD

利用数值解算方法求解流体力学的基本方程，具有成本低、能模拟复杂过程的优点。利用 CFD 方法对油

滴特性展开研究，可有效追踪离散颗粒的运动轨迹，揭示流场中大量微小油滴的运动规律。姜立[6]使用

CFD 软件模拟了车削加工中喷嘴下游和切削区域的油-气两相流场特性，并研究了切屑对切削介质的影

响。结果表明，工件的高速旋转运动使周围雾滴产生绕流，喷雾距离越大，受工件旋转作用影响的油滴

就越多；切屑的存在使车刀的前刀面与切屑之间形成了涡流，加强了对流换热作用。SHIVA 等[7]对流场

中油滴的索特平均直径（Sauter meandiameter，SMD）进行了研究，发现增大供气压力可明显减小油滴

直径。DUCHOSAL 等[8~9]利用 CFD 软件模拟了油滴在铣刀前刀面的沉积和润滑油膜的形成，发现铣刀转

速较低时形成均匀油膜所需的时间更短。

为更好地促进低温油-气混合介质冷却、润滑作用的发挥，这里采用 CFD 软件 Fluent，利用正交仿

真实验对 CMQL 流场的雾化参数进行优化，上述研究对采用合理的雾化参数和提高 CMQL 的冷却、润

滑效果具有积极意义。

1 CFD 模型 首先对喷嘴几何尺寸进行测量，建立流场仿真区域三维模型，划分网格，然后选择合适的雾化模型

及边界条件，分析雾化参数对低温油-气混合流场油滴特性的影响规律。

1.1 实体建模

本研究中，切削油雾化设备采用 SKF Vogel 微量润滑系

统，由于雾化效果受到喷嘴尺寸影响，为精确模拟实际喷雾

过程，利用数字手持显微镜（Dino-Lite，AM413ZT）对喷

嘴几何尺寸进行测量（如图 1 所示）。喷嘴出口由中心油孔

和环形气孔组成。雾化过程中，压缩空气和切削油在喷嘴外

部混合，中心油孔喷出的线状油膜受到由气孔喷出的高速空

气产生的剪切作用，破碎并分裂成微小油滴，并由气流输送

至指定空间，形成油-气混合切削介质。 由于喷嘴具有旋转对称结构，在保证计算精度的条件下，

不改变气体出口截面积，将喷嘴结构适当简化，建立圆心角

为 60°、高 70 mm、顶面半径 30 mm、底面半径 50 mm 的扇

柱形计算空间（如图 2 所示），该模型区域仅为实际流场空间的 1/6，可有效简化模型，缩短计算时间。

利用 ANSYS WORKBENCH 中的 MESH 模块划分网格，采用适应复杂几何形状的四面体非结构网格，

并在靠近气体喷口处对网格进行局部加密。

1.2 控制方程

低温油-气混合流场的分析需满足纳维-斯托克斯方程和能量守恒方程，先对作为连续相的气体流动

进行稳态求解，待结果收敛后再向流场中添加离散相喷射源。计算过程中开启能量方程并选择 Realizable

K-epsilon 湍流模型以获得对射流扩散率的更准确预测；采用耦合（coupled）算法，在计算连续相的稳态

图 1 微量润滑设备喷嘴几何尺寸

Fig. 1 Dimensions of the atomizer

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问题时较为有效；二阶迎风（second order upwind）格式以减少因网格问题带来的误差，提高求解精度。

低温油-气混合流场中，气体介质的体积分数远远大于雾化的切削油的体积分数，故采用离散相模型

追踪油滴颗粒轨迹。采用适合外部混合式喷嘴的空气辅助雾化模型（air-blast atomizer）模拟切削油的雾

化过程，液滴破碎方式选取 KHRT-Breakup 模型。

图 2 计算域三维模型及网格

Fig. 2 3D model and grid of computational domain a—气体入口局部放大图；b—计算域整体

a-Local amplification of gas inlet; b-Computational domain integrity

1.3 边界条件设置

1）仿真模型中的边界条件如图 2 所示，气体入口采用流量入口（mass-flow-inlet）边界条件，出口

和环境边界均采用压力出口（pressure-outlet）边界条件，出口压强为 0. 喷嘴表面设置为固定壁面（wall）。

2）本研究采用西班牙老鹰的 Bescut 173 植物基切削油，通过测量确定其物理参数如下：表面张力为

0.029 N/m，密度为 950 kg/m3，动力黏度为 0.038 kg/(m·s)，在空气辅助雾化模型中分别对切削油的上述

参数进行设置。仿真过程中，切削油于喷嘴出口处进入计算域，颗粒类型选择惰性颗粒（inert）；设置初

始方位角为 0°，终止方位角为 60°；油孔外径根据喷嘴结构设置为 0.000 5 m，内径为 0 m；颗粒流数量

设为 60；初始喷射时间设为 0 s，结束时间统一设定为 100 s，以保证流场中油滴扩散充分。

3）由于计算区域体积仅为实际空间的 1/6，故计算域两侧边界设置为旋转周期性边界（rotational

periodic boundary）。只对实际流场中 1/6 的空间进行模拟就可得到整个流场中油-气混合介质的分布情况。

1.4 仿真模型验证

在进行雾化参数优化之前，首先要对仿真模型进行验证。在气体温度 293 K 的条件下，对空气流量

为 30，40，50 L/min 的油-气混合流场进行仿真，并与利用风速仪测得的喷嘴下游气体流动速度进行比

较，以验证仿真模型的有效性。喷嘴轴线上不同位置处风速的对比结果如图 3 所示。可以看出，实验测

量结果均略微小于仿真结果，这种差异可能是由管路气密性造成，但总体变化趋势一致，说明仿真模型

对连续相的模拟具有较高的准确性。

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图 3 仿真结果与实验结果对比

Fig. 3 Comparison of simulating results and experimental results

2 结果讨论与分析 为分析 CMQL 流场的雾化参数对油滴特性的影响，设计了以空气流量、切削油用量、空气温度为因

素的 3 因素 5 水平正交仿真实验。其中，气体流量值通过实验测量确定，选取 30，40，50，60，70 L/min

作为空气流量的 5 个水平值。正交仿真实验的因素及水平如表 1 所示。

表 1 正交仿真实验因素水平表 Tab. 1 Orthogonal factors and levels

水平 因素

1 2 3 4 5

空气流量 Q/(L/min) 30 40 50 60 70

切削油用量 m/(g/min) 0.45 0.90 1.35 1.80 2.25

空气温度 T/K 253 263 273 283 293

当计算域内油滴总质量分数保持恒定时停止计算，统计入口和出口处各项质量差值，如果小于总质

量的 1%，则满足质量守恒定律，可视为计算结果收敛。随后利用 Fluent 中的后处理功能提取出不同空

气流量、空气温度及切削油用量情况下的油滴平均直径、温度、速度的分布数据，其中，切削加工过程

中刀具和工件的影响并没有计入仿真模型分析中。实验设计和结果如表 2 所示，这里以距喷口 30～50 mm

处的油滴相关参数为评价指标。

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表 2 L25（53）正交仿真实验设计表 Tab. 2 L25 (53) orthogonal simulating experimental design

设计变量 评价指标 实验

编号 空气流量Q/(L/min)

切削油用量m/(g/min)

空气温度 T/K

油滴直径 D/μm

油滴速度 v/(m/s)

油滴温度 T/K

1 30 0.45 253 12.90 135.20 284.40

2 30 0.90 263 13.31 130.67 287.76

3 30 1.35 273 12.96 125.42 291.02

4 30 1.80 283 12.83 119.16 294.38

5 30 2.25 293 12.80 116.23 297.63

6 40 0.45 263 8.33 163.74 286.33

7 40 0.90 273 13.25 134.08 294.76

8 40 1.35 283 8.24 150.62 293.77

9 40 1.80 293 8.34 146.59 297.46

10 40 2.25 253 8.19 167.83 282.91

11 50 0.45 273 11.45 190.43 291.47

12 50 0.90 283 11.84 184.70 294.57

13 50 1.35 293 11.50 180.76 297.73

14 50 1.80 253 11.10 203.66 285.22

15 50 2.25 263 11.30 198.17 288.22

16 60 0.45 283 9.78 188.32 296.05

17 60 0.90 293 10.27 177.77 298.41

18 60 1.35 253 7.16 191.38 288.94

19 60 1.80 263 7.87 192.94 291.27

20 60 2.25 273 9.01 187.11 293.80

21 70 0.45 293 4.33 221.87 297.51

22 70 0.90 253 4.19 249.68 283.58

23 70 1.35 263 4.22 236.90 287.13

24 70 1.80 273 4.31 236.35 290.45

25 70 2.25 283 4.33 227.71 294.03

2.1 雾化参数对油滴直径的影响

油滴尺寸越小，则雾化效果越好、总体表面积越大、换热效率越高，微小的油滴更容易渗透进刀具

和工件表面以及刀具和切屑之间的缝隙中，形成更均匀的润滑油膜。流场中油滴的直径分布如图 4 所示，

可以看出，切削油在喷嘴附近气体流速大的区域被撕裂成微小油滴，随后部分油滴在空中融合直径变大；

体积大的油滴多聚集在喷嘴轴线附近，体积较小的油滴则分散在雾炬外围，大油滴意味着较大的质量和

较大的惯性，被气流加速后可长时间保持沿喷嘴轴向的运动；而小油滴易受到湍流扰动的影响失去速度，

飘散至雾化流场边缘。

根据正交仿真实验结果，各参数对油滴直径影响的主效应如图 5 所示，各因素对油滴直径大小的影

响程度为：空气流量>切削油用量>空气温度。随着气体流量由 30 L/min 增大至 70 L/min，油滴平均直径

由 12.96 μm 下降至 4.28 μm，而切削油用量和空气温度对油滴尺寸的影响并不明显。

2.2 雾化参数对油滴速度的影响

流场中油滴的速度分布情况如图 6 所示。压缩气体从喷嘴喷出后受到环境大气的阻滞作用，速度逐

渐减小，导致油滴的速度也随距喷嘴距离的增加而降低；喷嘴轴线附近的油滴保持速度的能力较强，距

喷嘴较远处垂直于轴线向外的方向上，油滴速度逐渐减小。

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各雾化参数对油滴速度影响的主效应如图 7 所示，可以看出，各雾化参数对油滴平均速度的影响次

序为：空气流量>空气温度>切削油用量。空气流量越大，油滴速度越快；空气温度越高，油滴速度越慢。

因为相同体积的空气，温度越高其质量越小，导致实际气体速度变小。在当前实验条件下，油滴尺寸在 4～14 μm 之间，油滴速度最小为 116.23 m/s. 油滴与切削区域碰撞时的速度越高，越容易破碎分裂成更

小的油滴，渗透进刀-接触区的能力相应增强，有利于切削力的减小和刀具寿命的提高，这说明增大空气

流量有助于低温油-气切削介质冷却、润滑作用的发挥。

图 4 流场油滴直径分布（实验编号 22）

Fig. 4 Distribution of oil droplets diameter in flow field (Experiment 22)

图 5 各因素对油滴直径的影响

Fig. 5 Effect of atomization parameters on oil droplets diameter

图 6 流场油滴速度分布（实验编号 22）

Fig. 6 Distribution of oil droplets velocity in flow field (Experiment 22)

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图 7 各因素对油滴速度的影响

Fig. 7 Effect of atomization parameters on oil droplets velocity

2.3 雾化参数对油滴温度的影响

流场中油滴温度分布如图 8 所示。常温状态的切削油经喷嘴喷出后，受到低温空气的冷却作用温度

降低，低温空气离开喷嘴时开始与环境大气交换热量，随着喷射距离的增加，气体温度逐渐高于油滴温

度，油滴开始吸收热量，温度升高。故油滴的温度变化呈先下降后升高的趋势。并且距喷嘴轴线越远处

吸收的热量越多，雾炬末端油滴温度已经与环境相同。

图 8 流场油滴温度分布（实验编号 22）

Fig. 8 Distribution of oil droplets temperature in flow field (Experiment 22)

正交仿真实验中各因素对油滴温度影响的主效应如图 9 所示，其影响次序为：空气温度>空气流量>切削油用量。空气温度越低，油滴的温度越低。低温空气将油滴冷却，使油滴黏度变大，导致更多的油

滴更易于附着在刀具和工件表面，形成稳定的润滑油膜进而减小切削力，切削力的减少意味着产生的切

削热减少，因此可以延长刀具寿命，提高加工表面质量。此外，低温切削油与刀具之间温度梯度增大，

可以从切削区域吸走更多热量。分析发现，空气流量和切削油用量对油滴温度的影响并不明显。

图 9 各因素对油滴温度的影响

Fig. 9 Effect of atomization parameters on oil droplets temperature

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3 结论 研究利用 CFD 分析了雾化参数对低温油-气混合流场中油滴特性的影响规律。研究表明，流场中，

粒径大、速度快、温度低的油滴主要集中在雾炬中心位置，粒径小、速度慢、温度高的油滴分布于雾炬

外缘；雾炬喷射方向会对油滴渗透性造成影响，若想获得良好的冷却、润滑效果，喷嘴轴线应对准切削

加工区。雾化参数中，对油滴平均直径影响程度的大小依次为：空气流量>切削油用量>空气温度；随着

空气流量增加，粒径显著减小。对油滴速度影响程度的大小依次为：空气流量>空气温度>切削油用量；

增加空气流量有助于提高油滴速度，获得均匀润滑油膜。对油滴温度影响程度的大小依次为：空气温度>空气流量>切削油用量；低温空气的使用可促进切削油冷却作用的发挥。切削油流量越大，流场中的油

滴密度就越高，所带来的换热、润滑效果就越好。最优雾化参数组合为：空气流量 70 L/min，切削油用

量 2.25 g/min，空气温度 253 K，该雾化参数组合可以提高 CMQL 的冷却、润滑效果。

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