基于FLUENT超声振动流场的数值模拟

超声振动辅助加工技术具有高效、高精度、高可靠性、环保等优点，对提高加工质量和效率具有重要意义。为研究在超声振动辅助下工件的两种装夹方案的流场特性，首先，本文在ICEM CFD建立了二维模型并进行了网格划分。然后，将其导入计算流体动力学软件FLUENT进行模型相关参数设置，从而进行数值模拟分析，对工件不同装夹方案流场的气含率进行了详细分析及讨论。最后，对比两种不同安装方式的流场内气含率的分布及大小，从而选择更优的工件装夹方案，为超声振动辅助加工技术发展提供参考。

超声振动辅助加工是一种通过超声波产生的振动辅助机械加工的技术，它可以改善加工表面质量、提高加工精度和加工效率， 并且在某些应用领域中已经得到了广泛应用。

吕婷等[1]利用FLUENT 软件模拟了超声抛光中存在的空化现象，对流场的相关参数进行了数值模拟，并对加工质量进行了预测。孙冰[2]对超声空化进行了数值模拟，分析流场的流体速度，气含率等，进而对超声空化发生的机理和影响因素进行了分析。Zhai 等人[3]提出了超声振动辅助磁流变抛光工艺对蓝宝石晶片进行加工，得到了晶圆的表面质量和抛光效率受复合磨料的外壳厚度影响。刘仁鑫等人[4]复合了超声与化学机械抛光工艺，对硅片边缘进行抛光。通过研究超声振动的不同形式， 发现了椭圆超声振动能得到最优的抛光效果。Zhou 等人[5]研究了蓝宝石超声化学抛光的多物理场，对其进行了CFD 仿真与试验分析，验证了超声空化作用对材料去除的影响。

试验证明，在超声加工区域内的切削液在超声正负压相的作用下能产生有益的空化效应[6] [7]。

结合上述分析，对超声振动过程中的流场进行数值模拟，有助于选取合适的工件安装方式以及对材料去除机理进行更深层次的研究。

本文基于计算流体动力学软件FLUENT， 研究工件在不同安装方案时， 对超声振动流场进行数值模拟从而对空化现象进行研究。

2. 超声抛光流场几何模型建立 本文以超声振动下的流场作为分析对象，分为工件与超声振头固定装夹和工件单独装夹两种方案来进行研究，其试验原理图如图1 所示。

(a) (b) Figure 1. Clamping method of workpiece. (a) Workpiece and ultrasonic probe fixed clamping; (b) The workpiece is clamped separately 图1. 工件的装夹方式。(a) 工件与超声振头固定装夹；(b) 工件单独装夹