学术研究报告：精密电化学加工（PECM）中流体-结构相互作用与气体输运的实验与数值研究概念

1. 主要作者与发表信息
本研究由德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的实验室团队完成，主要作者包括Rommes, B.（通讯作者）、Lauwers, D.、Herrig, T.、Meinke, M.、Schröder, W.和Klink, A.，分别来自亚琛工业大学机床与生产工程实验室（WZL）和流体力学与空气动力学研究所（AIA）。研究发表于2021年的期刊Procedia CIRP（第102卷，页码204–209），属于第18届CIRP机械加工建模会议的论文集。

2. 学术背景与研究目标
科学领域：研究聚焦于精密电化学加工（Precise Electrochemical Machining, PECM），结合流体力学（Fluid-Structure Interaction, FSI）与多相流模拟（multiphase flow），属于先进制造与多物理场耦合交叉领域。
研究背景：涡轮机械部件（如叶片）需采用高强度材料（如镍合金、钛），但传统加工面临切削力大、刀具磨损等问题。PECM通过电解原理溶解工件材料，具有无接触、无热影响的优势，但加工间隙内的电解液流动与氢气气泡聚集会导致几何精度下降甚至短路。现有研究缺乏对PECM中动态流体-结构相互作用（FSI）的定量分析。
研究目标：提出一种结合实验与数值模拟的方法，以预测PECM过程中的FSI与气体输运现象，为工具设计和工艺参数优化提供物理依据。

3. 研究流程与方法
研究分为实验设计与数值模拟两部分，核心创新点在于通过动态相似性原理（dynamic similarity）放大加工间隙，实现光学测量与多相流模拟验证。

实验部分：
- 动态相似性放大：将典型PECM间隙（100 µm）按比例放大100倍至10 mm，保持雷诺数（Reynolds number）一致，电解液流速相应降低至0.1–0.6 m/s。
- 立体粒子图像测速（Stereoscopic PIV, S-PIV）：通过激光片光源与高速摄像机追踪示踪粒子，测量流场瞬态速度分布。实验装置采用丙烯酸玻璃通道（长1.5 m，高10 mm），确保光学可及性。
- 气体注入模拟：因实际电解产氢难以实验复现，采用多孔塑料插入件注入空气气泡，模拟氢气聚集效应。
- 流体-结构相互作用（FSI）验证：设计可振荡的薄板模拟工件振动，结合传感器记录变形数据。

数值模拟部分：
- 多相流模型选择：针对气泡流（bubbly flow），对比欧拉-欧拉（Eulerian-Eulerian, E-E）与欧拉-拉格朗日（Eulerian-Lagrangian, E-L）方法。E-E模型计算效率高，适用于大量气泡；E-L模型可追踪单个气泡运动，精度更高。
- 大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）：解析大尺度湍流涡，亚网格尺度模型处理小涡，平衡计算成本与精度。
- FSI耦合：采用水平集（level-set）方法描述工件边界运动，结合结构力学求解器预测变形。

4. 主要结果
- 气体分布差异：数值模拟显示，气泡从通道顶部或底部注入时，重力导致底部注入的气泡分布更不均匀（图5–7）。例如，全局气体体积分数为5%时，底部注入的气泡在近壁区域形成高浓度层。
- 湍流影响：雷诺数12,700的湍流中，气泡输运受涡流主导，验证了PIV实验的可行性。
- FSI预测能力：初步仿真表明，流体力可诱发薄壁工件振动，需通过工艺参数优化抑制。

5. 结论与价值
科学价值：
- 首次提出PECM中FSI与气体输运的耦合分析方法，填补了多物理场建模的空白。
- 动态相似性实验设计为微米级加工间隙的流场研究提供了新思路。
应用价值：
- 为涡轮叶片等薄壁件的PECM工艺参数（如振荡频率、电解液压力）提供决策模型，减少试错成本。
- 通过控制气泡分布与工件振动，提升加工精度与稳定性。

6. 研究亮点
- 方法创新：结合S-PIV实验与多尺度数值模拟，实现了PECM复杂物理场的多维度验证。
- 工程意义：针对高附加值零件（如航空发动机叶片）的制造瓶颈，提出可工业化的解决方案。

7. 其他价值
研究受德国科学基金会（DFG）优先计划SPP2231资助，后续将扩展至实际工件加工验证，推动PECM从经验驱动向模型驱动的转型。

（注：专业术语如PECM、FSI、S-PIV等在首次出现时标注英文原词，后续直接使用中文译名。）