基于热驱动和喷雾射流冷却模式的高速磨削弧区强化传热研究

针对钛合金、高温合金等高强韧性难加工材料高速磨削弧区局部热流过高的现象，首次提出一种基于离心力场热驱动和喷雾射流冲击机理的磨削砂轮新型强化传热结构。由于磨削砂轮高速旋转所引起的内部热驱动和外部气旋效应，以及缘于磨粒和工件之间强烈摩擦所形成的磨削弧区强压力梯度特征，因而蕴涵着一些新的热物理现象。本项目旨在探索的三个核心问题包括：(1) 局部热源作用下旋转多孔结构内部的热驱动流动和换热；(2) 存在高速旋转表面气旋影响和强压力梯度作用下的喷雾射流流动和换热；(3) 高速磨削弧区新型强化传热结构的热分析和可行性验证。试图通过本项目的研究，不仅探究高速磨削弧区新型强化传热结构蕴涵的若干热物理科学问题，而且探索在难加工材料高速磨削中实现绿色高效冷却的新方法，以期为强化传热和高速磨削加工技术发展提供相关理论依据和应用基础。

1、建立了局部热流作用下填充泡沫金属的旋转多孔盘内部离心力驱动流动和换热的数学模型，计算过程中将旋转盘内外流场进行解耦分析。通过数值计算，研究了在局部热源作用下的离心力场中多孔结构内部的热驱动流动和换热特征，揭示了离心力场中多孔结构内部的热驱动的物理图象，引入了热传递系数(定义为局部热流与盘面最大温差之比)评价旋转多孔盘的热传递能力；获得了不同的热驱动流体介质、多孔结构的孔隙率、渗透率和骨架结构等参数对离心力场多孔结构内部流体热驱动特性和换热效果的影响。. 2、通过数值计算对旋转盘表面对流换热进行了三维数值模拟，研究了旋转速度和表面肋化结构对于旋转盘表面温度分布和对流换热性能的影响；建立了旋转盘表面换热及肋化结构强化传热研究试验装置，获得了多孔结构侧面肋片的排布方式和结构参数以及旋转速度对于旋转盘表面温度分布和换热特性的影响。. 3、建立了研究旋转表面气旋效应和射流冲击的耦合换热的数学模型和实验装置， 采用数值计算和试验方法模拟磨削工件表面的射流冲击对流换热过程，对不同旋转速度和旋转方向下，旋转盘诱导的气旋运动和射流冲击的耦合作用进行了研究分析，揭示了高速旋转表面气旋和冲击射流的相干性。. 4、通过数值计算和试验，研究了含湿射流冲击的对流换热特性，获得了射流冲击雷诺数、射流冲击间距、含液量等因素对于加热工件表面对流换热特性的影响，提出了低温喷雾的技术途径强化表面对流换热的技术途径；通过数值计算和模拟实验，获得了砂轮旋转速度对磨削弧区喷雾射流冲击流动和换热特性的影响。. 5、建立了基于离心力场热驱动和喷雾射流冲击机理的磨削砂轮新型强化传热结构耦合的热分析模型，分析了磨削热的能量分配关系；提出了一种利用流体激励强化射流冲击换热的气体射流喷管形式，针对磨削弧区新型强化传热结构进行模拟实验验证。