中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (5): 1072-1081.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.007
• 机械基础工程 • 上一篇
收稿日期:2025-12-13
出版日期:2026-05-25
发布日期:2026-06-09
通讯作者:
贾志新
作者简介:王津,男,1984年生,副教授。研究方向为电火花加工、电解加工、智能制造等。E-mail:wangjin84@ustb.edu.cn。基金资助:
WANG Jin1(
), QIAO Chunkai1, JIA Zhixin1(
), HE Hu2
Received:2025-12-13
Online:2026-05-25
Published:2026-06-09
Contact:
JIA Zhixin
摘要:
基于水下爆炸理论和理想气体状态方程,考虑了流体在加工间隙内流动时因壁面阻力导致的能量损失,结合实验观测的气泡最大膨胀体积和稳态体积,确定了极间间隙内单脉冲电火花放电产生气泡的初始温度、压力和体积的计算方法。进一步采用流体体积(VOF)法构建了单脉冲放电产生气泡行为的仿真模型,单脉冲放电气泡观测实验结果表明仿真与实验结果吻合良好。利用该模型分析了峰值电流和脉冲宽度对气泡演变行为的影响。最后基于高速摄像机观测实验数据拟合得出了不同峰值电流和脉冲宽度下气泡最大膨胀体积、膨胀时间及稳态体积的计算公式,且无需观测实验即可对单脉冲放电气泡行为进行仿真计算。
中图分类号:
王津, 乔春凯, 贾志新, 何虎. 单脉冲电火花放电气泡行为仿真建模[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1072-1081.
WANG Jin, QIAO Chunkai, JIA Zhixin, HE Hu. Simulation Modeling of Single-pulse Electrical Discharge Bubble Behaviors[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(5): 1072-1081.
| 型号 | IT0导电玻璃 |
|---|---|
| 尺寸/(mm×mm×mm) | 20×20×1.1 |
| 方阻/Ω | 10 |
| 膜层厚度/nm | 185 |
| 透光率/% | ≥84 |
表1 ITO导电玻璃参数
Tab.1 Parameters of ITO conductive glass
| 型号 | IT0导电玻璃 |
|---|---|
| 尺寸/(mm×mm×mm) | 20×20×1.1 |
| 方阻/Ω | 10 |
| 膜层厚度/nm | 185 |
| 透光率/% | ≥84 |
图2 气泡稳态观察实验图(脉冲宽度60 μs,峰值电流10 A,极间间隙40 μm)
Fig.2 Experimental diagram of bubble steady-state observation(pulse duration of 60 μs, peak current of 10 A, inter-electrode gap of 40 μm)
| 算法 | 设定值 |
|---|---|
| 求解器 | 压力基、隐式、瞬态 |
| 多相流 | 相数:2;VOF策略:显式、激活体积力;层流 |
| 控制方程 | 开启能量方程 |
| 求解控制参数 | PISO; Discretization; PRESTO!; QUICK; Geometric |
| 收敛判据 | 残差:10 |
| 迭代计算参数 | 库朗数:2;各时间步最大迭代次数:40 |
表2 求解器算法设置
Tab.2 Solver algorithm settings
| 算法 | 设定值 |
|---|---|
| 求解器 | 压力基、隐式、瞬态 |
| 多相流 | 相数:2;VOF策略:显式、激活体积力;层流 |
| 控制方程 | 开启能量方程 |
| 求解控制参数 | PISO; Discretization; PRESTO!; QUICK; Geometric |
| 收敛判据 | 残差:10 |
| 迭代计算参数 | 库朗数:2;各时间步最大迭代次数:40 |
图14 不同峰值电流与极间间隙内电火花气泡体积关系曲线(脉冲宽度90 μs)
Fig.14 Relationship curve among different peak currents and the volume of electric spark bubbles in the inter-electrode gap(pulse duration of 90 μs)
图15 不同脉冲宽度与极间间隙内电火花气泡体积关系曲线(峰值电流10 A)
Fig.15 Relationship curve among different pulse durations and the volume of electric spark bubbles in the inter-electrode gap(peak current of 10 A)
实验 组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量 结果/μs | 公式计算 结果/μs | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 208 | 199.936 | |
| 2 | I=2 A, | 230 | 219.578 | |
| 3 | I=5 A, | 369 | 376 | 2.17 |
| 4 | I=10 A, | 378 | 396 | 4.76 |
| 5 | I=12 A, | 409 | 401 | |
| 6 | I=15 A, | 414 | 403 |
表3 气泡膨胀时间验证实验结果与误差
Tab.3 Experimental results and errors of bubble expansion time verification
实验 组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量 结果/μs | 公式计算 结果/μs | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 208 | 199.936 | |
| 2 | I=2 A, | 230 | 219.578 | |
| 3 | I=5 A, | 369 | 376 | 2.17 |
| 4 | I=10 A, | 378 | 396 | 4.76 |
| 5 | I=12 A, | 409 | 401 | |
| 6 | I=15 A, | 414 | 403 |
| 实验组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量结果/mm3 | 公式计算结果/mm3 | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 0.051 56 | 0.046 68 | |
| 2 | I=2 A, | 0.096 68 | 0.091 95 | |
| 3 | I=5 A, | 0.668 92 | 0.637 11 | |
| 4 | I=10 A, | 1.863 86 | 2.016 76 | 8.20 |
| 5 | I=12 A, | 2.623 85 | 2.754 27 | 4.97 |
| 6 | I=15 A, | 4.216 26 | 3.915 90 |
表4 气泡最大膨胀体积验证实验结果与误差
Table.4 Experimental results and errors of the verification for the maximum expansion volume of bubbles
| 实验组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量结果/mm3 | 公式计算结果/mm3 | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 0.051 56 | 0.046 68 | |
| 2 | I=2 A, | 0.096 68 | 0.091 95 | |
| 3 | I=5 A, | 0.668 92 | 0.637 11 | |
| 4 | I=10 A, | 1.863 86 | 2.016 76 | 8.20 |
| 5 | I=12 A, | 2.623 85 | 2.754 27 | 4.97 |
| 6 | I=15 A, | 4.216 26 | 3.915 90 |
| 实验组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量结果/mm3 | 公式计算结果/mm3 | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 0.013 95 | 0.012 71 | |
| 2 | I=2 A, | 0.039 56 | 0.037 06 | |
| 3 | I=5 A, | 0.566 48 | 0.542 89 | |
| 4 | I=10 A, | 1.483 70 | 1.575 41 | 6.18 |
| 5 | I=12 A, | 1.836 26 | 1.938 09 | 5.55 |
| 6 | I=15 A, | 2.369 64 | 2.297 42 |
表5 气泡稳态体积验证实验结果与误差
Table.5 Experimental results and errors of bubble steady-state volume verification
| 实验组号 | 实验条件(峰值电流,脉冲宽度) | 实验测量结果/mm3 | 公式计算结果/mm3 | 误差/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | I=1 A, | 0.013 95 | 0.012 71 | |
| 2 | I=2 A, | 0.039 56 | 0.037 06 | |
| 3 | I=5 A, | 0.566 48 | 0.542 89 | |
| 4 | I=10 A, | 1.483 70 | 1.575 41 | 6.18 |
| 5 | I=12 A, | 1.836 26 | 1.938 09 | 5.55 |
| 6 | I=15 A, | 2.369 64 | 2.297 42 |
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