冷喷涂超音速自由射流流场数值分析

针对冷喷涂技术,喷管内部及出口后的超音速射流流场直接影响喷涂效果,所以对该流场进行研究十分重要.通过建立二维数学模型,采用有限体积法离散控制方程,用simple算法处理压力与速度之间的耦合,对可压缩气体超音速射流流场进行数值模拟分析.获得了气体压力、速度和温度等的分布,分析了激波对流场的影响.比较了不同的入口参数及激波的存在对流场产生的影响.在工程应用中,应该利用膨胀波引起的加速,减小甚至避免激波引起的减速.     

冷喷涂工艺中射流过程的数值模拟研究

在冷喷涂材料表面改性技术研究中，喷嘴出口的超音速气流射流流场直接影响喷涂的效果和喷涂质量，故喷嘴出口后射流的流场数值计算分析非常重要。通过对数学模型的工程简化，完成气相射流流场的数值模拟，给出了可压缩气体压力、温度和速度分布，根据计算结果，完成对实验的优化设计。     

喷嘴下游形状对冷喷涂粒子加速行为影响的数值模拟研究

目的 冷喷涂过程中喷嘴内流道关键尺寸是影响粒子加速的重要因素。虽然喷嘴下游长度与扩张比是喷嘴的2个最重要参量,但目前对喷嘴优化设计的研究仍有深入空间,比如喷嘴下游形状。方法 本文利用计算流体动力学的软件ANSYS/Fluent进行数值模拟研究,在与传统锥形下游相比较后,设计了钟形下游与喇叭形下游喷嘴。同时研究了喷嘴下游形状对气流与粒子加速行为的影响。结果 对于钟形下游喷嘴,其气流速度在过喉部后迅速增加到较高数值,随后变化缓慢;对于喇叭形下游喷嘴,其气流速度在过喉部后先增加缓慢,直至截面积开始快速增加时,气流速度迅速增加;喷嘴下游形状对粒子撞击基板时的速度有一定影响,且随着喷嘴下游长度和粉末粒度的变化而改变。对于Cu粉,当为下游100 mm短喷嘴时,锥形下游喷嘴对10~20 μm的粒子加速效果最好。当粉末在20 μm以上时,喇叭形下游喷嘴的加速效果最好。对于下游220 mm长喷嘴,钟形下游喷嘴对10~30 μm的粒子加速效果最好。当粉末在30 μm以上时,锥形下游喷嘴的加速效果最好。对于Al粉,当为下游220 mm长喷嘴时,钟形下游喷嘴对10~50 μm的粒子加速效果最好,喇叭形下游喷嘴加速效果最差。结论 冷喷涂喷嘴下游形状对气体与粒子加速有显著的影响。     

非垂直冲击对冷喷涂铝基涂层残余应力影响的数值研究

对于非垂直入射的颗粒在冷喷涂沉积过程中产生的残余应力进行研究,旨在分析该状况下残余应力的变化趋势及其对沉积特性的影响.采用ABAQUS/Explicit有限元分析软件,以Al/A1作为粒子和基体的材料进行模拟,研究了粒子倾斜冲击对残余应力的影响,并添加无限元素层以增强数值稳定性.结果表明:颗粒以不同角度沉积基体的过程分...     

船舶喷涂机器人扇形喷嘴内射流模拟对比分析

通过对目前船厂船体喷涂工艺的分析,设计船舶喷涂机器人射流系统原理结构。扇形喷嘴是机器人喷涂新方案的关键部件,其内部流场特性的研究非常重要。以船厂目前常用的4种扇形喷嘴为例,应用CFD手段,根据流体理论建立数学模型,并根据应用现场实际,简化了物理模型,分别进行4种扇形喷嘴腔体内流场的数值模拟,并对比分析了4种扇形喷嘴轴心线上的压力变化曲线和速度变化曲线,得到4种扇形喷嘴各自的特性,为后续船舶喷涂机器人扇形喷嘴深度模拟提供参考。     

基于Euler法的冷喷涂粒子与基体高速冲击过程数值分析

利用非线性动力分析软件LS-DYNA,对冷喷涂中铜粒子与铜基体的碰撞过程进行了数值分析.研究冷喷涂过程中沉积粒子与被喷涂基体的变形行为.结果表明:使用Lagrange法,当粒子撞击速度过大时,网格的过度畸变会导致计算的终止,其计算结果与实验结果相比有一定差距.而采用Euler法计算得到的铜粒子与铜基体在碰撞结束后的沉积形貌与实验观察吻合很好,表明模拟结果相对于Lagrange法的计算结果更为精确.此外,Euler法能准确的模拟多粒子共同撞击基体的过程,数值计算得到的多粒子涂层内部结构与实验结果也能很好的吻合.     

喷涂距离对冷喷涂Al涂层性能的影响

采用冷喷涂法制备Al涂层,测定所获涂层的沉积率、显微硬度,并分析涂层与基体的结合情况,研究了喷涂距离对Al涂层的影响。结果表明,喷涂距离为30 mm时涂层的沉积率及显微硬度较高,与基体结合效果较好,而其他距离下涂层性能劣化的原因为颗粒下降速度不稳或发生粒子散射。     

中厚板轧后冷却圆形喷嘴射流冲击行为分析

在中厚板轧后冷却过程中,喷嘴的射流冲击形式和钢板表面积水层深度对冷却能力有着重要影响。本文利用ANSYS Fluent软件进行模拟仿真,研究了相同口径的圆形喷嘴,在不同倾斜角度、入口速度的条件下,射入不同积水层深度的水流场,分析了水流场中的流速及对钢板表面的冲击压强的变化趋势,得出初始流速、钢板表面积水层深度对射流钢板冷却冲击的影响关系。结果表明：喷嘴倾角越大,初始速度越大,钢板表面的积水层越薄,射流冲击钢板表面的压强值越大,冷却能力越强。     

纳米颗粒电场辅助冷喷涂数值研究

在喷管出口和基板之间外加电场来加速带电颗粒,并对带电纳米铜颗粒进行电场辅助冷喷涂气固两相流数值研究,分析在气流和电场力的综合作用下颗粒粒径、电荷量、基板电压等参数对颗粒速度的影响。结果表明,电场辅助冷喷涂不适合微米级颗粒,但非常适合纳米颗粒喷涂,且粒径越小,颗粒撞击速度越大,电场力加速效果越显著;颗粒电荷量、基板电压越大,颗粒撞击速度越高。     

多喷嘴射流泵流场的数值模拟与PIV测量

为研究多喷嘴射流泵性能和内部流场特征,设计了不同结构的多喷嘴射流泵试验模型.采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟,模拟结果表明,喷嘴数和喷嘴角度及喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大.利用PIV系统对不同结构射流泵内部流场进行了三维测量,获得了射流泵对称面流场的速度矢量和湍动能等值线图.试验结果表明,其速度梯度衰减得愈快,工作流体和被吸流体混合距离越短.验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度.测量结果证明数值模拟的正确性,为多喷嘴射流泵理论研究和合理设计提供了理论依据.     

Numerical Study on the Effect of Substrate Size on the Supersonic Jet Flow and Temperature Distribution Within the Substrate in Cold Spraying

This study investigates the effect of substrate size on the supersonic jet flow regime, particle acceleration and temperature distribution within the substrate in cold spraying. A computational fluid dynamics approach is employed in the present work to achieve this objective. The simulated results show that substrate diameter has some effect on the gas flow regime and the consequent particle motion. When the substrate diameter is smaller than the nozzle exit diameter, the thickness of the bow shock formed in front of the substrate is rather small, which contributes to increase the particle impact velocity. With increasing the substrate diameter, the bow shock thickness increases gradually up to the point at which the substrate diameter is beyond the nozzle exit diameter. A further increase beyond this has almost no effect on the flow regime and the bow shock thickness. Besides, the current numerical work also reveals that the temperature distribution within the substrate can be significantly influenced by substrate thickness. With an increase in substrate thickness, the substrate temperature presents a downward trend, which means that higher inlet temperature may be required for thick substrate to achieve the same preheating effect.     

空化射流角型喷嘴内流场的数值模拟

建立了角型喷嘴物理模型。基于FLUENT软件,采用混合模型、空化模型和RNG k-ε紊流模型对空化射流喷嘴内流场进行数值模拟。以径向线上蒸汽体积分数分布、轴线上蒸汽体积分数分布和速度分布为判断角型喷嘴产生的空化射流空化程度的依据,分析圆柱段直径、入口压力、出口压力对射流空化程度的影响规律。模拟结果表明:圆柱段直径的最佳初始值为1 mm;增大入口压力可以提高射流空化程度,但随着出口压力的增大,又会抑制喷嘴内空化的初生并降低出口速度,不利于射流空化程度的提高。     

Influence of Flow Swirling and Exit Shape of Barrel Nozzle on Cold Spraying

Traditionally, in cold spray two-phase supersonic jet formed with the help of converging-diverging nozzle are used. In this study an alternative design of cold spray nozzle is proposed in which a high velocity two-phase flow is created using an intense flow swirling in a constant section barrel (cylinder) with double-edged bevel exit. As a result, a high velocity gas-powder mixture jet is produced presenting a fan-shaped jet spreading at a large angle in one plane and approximately of equal size along the normal to this plane. This results in greater angles of particle deposition and, hence, in larger deposition widths, with the maximum width of deposition spot reaching 25 barrel diameters. The performed experimental study proves the new nozzle design to be appropriate for deposition of cold-sprayed coatings.     

水口侧孔角度对不锈钢板坯连铸结晶器内流场和温度场的影响

利用数值模拟方法对比分析了不同浸入式水口倾角角度下结晶器内钢水流场和温度场的分布情况。结果表明,在同一结晶器断面宽度和工艺参数条件下,随着水口侧孔倾角角度的增加,侧孔注流在窄面的冲击位置上升,冲击强度减小,钢液面处钢水卷渣和液面裸露的几率增加,钢液面处钢水温度增加。其中,当水口侧孔角度为向上0°和5°时,钢液面处钢水表面流速变化相对较小,说明对于该断面不锈钢板坯,水口侧孔倾角角度在0°～5°范围内时在利于铸坯质量的提高.     

磨料水射流喷嘴结构参数对流场性能影响的仿真与研究

建立后混合磨料水射流喷嘴可视化模型,利用FLUENT软件对喷嘴内固液两相流场进行仿真,分析管嘴内流场的速度以及管嘴结构对它的影响。为了达到理想的速度,混合腔长度应选择高压水喷嘴直径的40倍左右;聚焦管长度在60~70 mm之间最优;综合考虑速度及磨损,锥形角角度应选择在30°~45°之间。     

磨料射流喷嘴压力场与速度场的研究

为提高磨料射流抛光加工过程中的可靠性和效率,对在磨料射流加工中起到重要作用的喷嘴进行研究具有重要的意义。该文在分析喷嘴射流机理的基础上,针对典型的喷嘴进行仿真研究,得到了喷嘴内部压力场和速度场的分布情况,同时采用有限元对喷嘴结构参数进行数值模拟分析与比较,得出不同结构参数对于流体性能的影响。最后对该仿真方法的可靠性进行了实验验证,并给出了误差率,证明了在该文中所使用的仿真方法具有可靠性,为进一步研究磨料射流喷嘴提供了实用的价值和有效的方法。     

新型水口作用下的结晶器流场数值模拟

以结晶器表面的钢液流速和结晶器内的射流冲击深度作为参考指标,基于FLUENT对邯钢宽厚板坯连铸结晶器内流场进行数值模拟,研究该连铸机所用的A水口的性能及在该水口作用下的拉速、水口浸入深度对结晶器内流场的影响。结果表明:在A水口的作用下结晶器的表面流速大,射流冲击深度则较小,有较大的卷渣可能性;最大结晶器表面流速随着拉速的增大而逐渐增大,射流冲击深度则逐渐减小;结晶器表面流速随着水口浸入深度的增加而减小,射流冲击深度则增大;根据邯钢宽厚板坯连铸机的实际生产条件,在拉速较大时,应将A水口替换为平行水口;在使用A水口时,在适当降低拉速的同时,水口浸入深度也应适当增大。     

An Investigation on Temperature Distribution Within the Substrate and Nozzle Wall in Cold Spraying by Numerical and Experimental Methods

During cold spraying (CS), heat exchange between the hot driving gas and the solid bodies, e.g., spray nozzle and substrate, results in the temperature redistribution within the solid bodies. In this study, numerical and experimental investigations on the heating behavior of the substrate and nozzle wall were conducted to clarify the temperature distribution within the solid bodies in CS. The results show that after heating by the hot gas, the highest temperature presents at the center point of the substrate and decreases toward the substrate back surface and edge. With increasing standoff distance or decreasing inlet temperature, the substrate temperature decreases gradually, but the temperature gradient within the substrate changes little. The numerical results are consistent with the experimental measurements. Besides, it is also found that increasing the substrate size (diameter) can lead to the gradual increment in the substrate temperature. Moreover, the numerical study on the temperature distribution within the nozzle wall reveals that the highest temperature presents at the throat section of the nozzle and that the nozzle material significantly affects the temperature distribution within the nozzle wall.     

旋流水口对小方坯连铸结晶器流场影响的水模拟

通过在连铸水口的水力学模型内安置的旋流叶轮模拟了水口电磁搅拌的作用,使模型实验中水口出流呈螺旋状流态.用超声波Doppler测速仪定量测量结晶器模型内液流的垂直及水平速度,检验水口电磁搅拌的效果,分析有效的工艺参数.结果表明,旋流式水口有利于改善结晶器内的流场,有效降低冲击深度,增大液流向弯月面区域的回流和热流上传,使液面形成水平环流,提高了液面的活跃程度,增强钢水表面融渣的效果.