臺灣博碩士論文加值系統

電化學加工(ECM)是屬於非傳統加工的一種，電化學加工(ECM)利用低電壓，高電流使材料以離子狀態快速溶解，擁有加工速度快、工件表面無應力殘留與對複雜的工件也能輕易地加工等優勢。在過去的文獻中，電解加工在數值模擬的資訊較不足，因此本研究在於探討加工參數對流場的影響，以供未來業界與數值模擬參考。
本研究是利用ANSYS CFX商用套裝軟體進行電解加工之內部流場之數值模擬，本研究紊流模型K-Epsilon紊流模型。計算格點由ANSYS ICEM產生非結構性網格，採用混合型網格，於流道壁面周圍建立棱柱型網格(Prism Mesh)來模擬邊界層黏性流場，其他計算領域則採用四面體網格(Tetrahedron Mesh )。並對其模擬結果分析加工電壓、電解液流量、電極間隙與工件材料之間的關係與探討對電流密度、溫度分布、速度分布等之影響。
在模擬結果方面，增加加工電壓、電解液的導電係數與縮短電極間隙的高度，材料移除速率均會增加，但流場的高溫也會隨之上升，若電解液的流量不足會造成流場溫度分佈不均勻；在工具材料的選擇，工具材料的熱傳導係數會影響流場的高溫，熱傳導係數低的材料在流場的高溫會高於熱傳係數高的材料；導電係數好的電解液可以達到低電壓高電流的工作模式，流場的溫度也比高電壓低導電係數低。

In this study, we use the commercial software, ANSYS CFX, to simulate the flow fields of the electrochemical machining(ECM). The main objective is to analyze the parameters in ECM. In the simulation, we used a high order scheme and K-Epsilon turbulence model to solve the incompressible Navier-Stokes equations coupled with electromagnetic sources. The grid system used is a unstructured grid system generated by ICEM CFD.
First, three test cases, three-dimensional cavity, three-dimensional curved pipe, and Aluminium matrix composites using Multiphysics simulation, are simulated to demonstrate higher simulation accuracy. Then the Aluminium matrix composites using Multiphysics simulation is investigated. Finally, the effect of processing voltage, material of the tool, conductivity of the electrolyte, and interelectrode gap(IEG) on the flow field are investigated.

中文摘要I
Extneded AbstractIII
目錄VII
圖目錄X
表目錄XIV
符號說明XV
第一章 緒論1
1.1 前言1
1.2 研究動機與目的2
1.3 文獻回顧3
1.4 內容大鋼4
第二章 理論基礎6
2.1電化學加工之基本理論6
2.1.1基本理論6
2.1.2電流效率(Current Efficiency)7
2.2導電度、導電度與濃度的關係、電流密度7
2.2.1 導電度(Conductivity)7
2.2.2 導電度與濃度的關係9
2.2.3電流密度9
2.3熱傳遞理論10
2.3.1熱傳導10
2.3.2熱對流12
2.3.3熱輻射15
第三章 數值方法18
3.1 耦合概述18
3.2數值方法20
3.2.1網格生成20
3.2.2流場統御方程式[12]20
.2.3紊流模型(Turbulence Model)21
3.2.4熱分析23
3.3壁面函數27
第四章 程式與物理模型驗證28
4.1 程式驗證一-三維空穴流28
4.2程式驗證二- U型彎管流場驗證29
4.3 程式驗證三-鋁合金Multiphysics Simulation驗證30
4.4 網格獨立性分析32
第五章 結果與討論34
5.1 改變工作電壓34
5.2 更換工具(Tool)材料36
5.3 改變電解液的導電係數37
5.4改變電極間隙(IEG)的高度39
第六章 結論與建議42
參考文獻44
圖2-3 熱傳導示意圖51
圖2-4 牛頓冷卻示意圖51
圖4-1空穴流邊界條件與網格設置52
圖4-2 Re=100 在Z=0.5處 (a)水平中心線Y方向速度分布 (b)垂直中心線X方向速度分布53
圖4-3 Re=200 在Z=0.5處 (a)水平中心線Y方向速度分布 (b)垂直中心線X方向速度分布54
圖4-4 Re400 在Z=0.5處 (a)水平中心線Y方向速度分布 (b)垂直中心線X方向速度分布55
圖4-5 Re=1000 在Z=0.5處 (a)水平中心線Y方向速度分布 (b)垂直中心線X方向速度分布56
圖4-6 U型彎管邊界條件與網格設置57
圖4-7 M.R.H. Nobari al. [15] (a)彎管六面體網格 (b)彎管尺寸示意圖58
圖4-9 U型彎管不同角度與文獻比較之速度圖60
圖4-10 [5] Matthias et al. (a)分析機台示意圖 (b)流道示意圖 61
圖4-11 [5] Matthias et al. 流場2D非結構網格62
圖4-12 厚度為10μm的模型62
圖4-13 流場網格設置63
圖4-14 流場的邊界條件設定圖64
圖4-15 Velocity inlet=7(m/s)的Pressure contour65
圖4-16 Velocity inlet=7(m/s)的Velocity contour67
圖4-17 Velocity inlet=7(m/s)的Temperature contour 67
圖4-18 Velocity inlet=25(m/s)的Pressure contour68
圖4-19 Velocity inlet=25(m/s)的Velocity contour70
圖4-20 Velocity inlet=25(m/s)的Temperature contour 70
圖4-21 入口速度與流場最高溫比較圖71
圖4-22 入口速度與流場最高速度比較圖71
圖4-23 入口速度與Vcentre比較圖72
圖4-24 流場最高溫度網格獨立性分析72
圖4-25 流場最高速度網格獨立性分析73
圖4-26 平均電流密度網格獨立性分析73
圖5-1 不同電壓對流場最高速度比較圖74
圖5-2 不同電壓對流場最高溫度比較圖74
圖5-3 不同電壓對平均電流密度比較圖75
圖5-4 加工電壓5V的流場溫度分布圖 (a)入口速度為7.5[m/s] (b)入口速度為25[m/s]76
圖5-5 加工電壓7V的流場溫度分布圖 (a)入口速度為7.5[m/s] (b)入口速度為25[m/s]77
圖5-6 加工電壓9V的流場溫度分布圖 (a)入口速度為7.5[m/s] (b)入口速度為25[m/s]78
圖5-7 不同工具材料對流場最高速度比較圖79
圖5-8 不同工具材料對流場最高溫度比較圖81
圖5-9 不同工具材料對平均電流密度比較圖82
圖5-10 Steel 304不同熱傳導係數對流場最高溫度比較圖82
圖5-11 電解液不同導電係數對流場最高溫度比較圖83
圖5-12 電解液不同導電係數對平均電流密度比較圖84
圖5-13 電解液導電係數=10.5[S/m]的流場溫度分布圖 (a)入口速度為7.5[m/s] (b)入口速度為25[m/s]85
圖5-14 電解液導電係數=14 [S/m]的流場溫度分布圖 (a)入口速度為7.5[m/s] (b)入口速度為25[m/s]86
圖5-15 不同電壓、導電係數 (a)流場最高溫度比較圖88
(b)電流密度比較圖88
圖5-16 電極間距高度對流場最高速度比較圖89
圖5-17 電極間距高度對Vcentre比較圖89
圖5-18 電極間距高度對流場最高溫度比較圖90
圖5-19 電極間距高度對平均電流密度比較圖90
表3.1 自動體網格類型與生成方法概述[23]47
表4-1 材料性質表49
表4-2 邊界條件設定50

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