冷气体动力喷涂喷管内超音速气固两相流动数值模拟

摘要

本课题针对传统涂层材料沉积技术的缺点，提出利用冷气体动力喷涂技术来提高涂层沉积效率和涂层性能。本文的主要内容是对拉伐尔喷管内超音速气固两相流动过程进行数值模拟，并对喷管内的热力过程进行分析，以找出各种参数对喷管出口气流速度的影响。 冷喷涂技术作为一项80年代才出现的材料表面处理技术，在很多方面显示了其它涂层沉积技术所不具备的优势，其主要优点是工作温度相对较低，粉末沉积效率高、速度快，涂层强度高，喷涂成本低。这样，冷喷涂技术就在很多领域有了良好的适用性。 在制造加工业中，冷喷涂技术适合进行各种表面处理，如：防腐涂层、耐磨涂层、高强度和高硬度表面、导磁表面、导热表面等，还可以在金属或非金属表面喷涂电导涂层、绝缘涂层，甚至可以进行金属间喷涂与修复。 此外，在燃料电池动力系统中，冷喷涂技术也有良好应用前景。目前，燃料电池技术日益受到关注，对其商业化的要求也越来越急迫，但由于成本和小型化方面的技术限制，制约了燃料电池推广进程。在燃料重整器中，由于以传统的重整方法对重整器进行小型化有很大困难，结合板型重整器的优点，我们提出在热、质传输上有更高效率的微通道板型重整器，而实现此方案的关键就是怎样形成微通道表面的催化涂层。我们将冷喷涂技术引入方案中就是利用冷喷涂在相对低温下，对材料性能影响小的特点来制备高效催化涂层。此外，对于燃料电池双极板而言，使用传统材料，在重量、强度、成本各方面都有很大局限，而利用冷喷涂技术可以兼顾这三个方面的要求。 冷喷涂技术的关键是通过合适的拉伐尔喷管加速气流到超音速，以带动喷涂材料粉末速度的提高，使其有效沉积在载体表面。对于不同的气体进口参数，对出口气流速度的影响是不同的。进口速度的变化对出口速度的影响比较小，尤其是进口速度低于50m/s时，其变化基本上不会使出口速度有大的改变；进口压力的变化会对出口速度产生一定的影响，但是由于让进口气流压力有很大的提高不太现实，提高出口速度的方式是以提高进口气体温度为主，适当提高进口压力。为了对喷管内气体流动过程有更深入的了解，我们应用重整化群(RNG)κ-ε模型对流动过程进行数值模拟，针对喷管流道形状的变化，采用不均匀网格划分计算区域，并用二阶上风差分格式离散通用微分方程的对流相；最后采用SIMPLE算法来求解气体的运动。 在得出的结果中，比较了不同气体和粒子速度的变化；并对压力、温度、速度的分布做了分析。在直管段和渐扩段的连接处，由于流动有一个小的角度偏转，会产生锥形弱激波，使气流的速度产生波动，压力、温度也会随之产生波动，在直管段后部，激波逐渐消失，流动恢复平稳。 本文的最后还进行了下一步实验工作的系统和装置的设计。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

1绪论

1.1引言

1.2技术背景

1.2.1表面涂层的沉积方法

1.3冷气体动力喷涂技术的现状分析

1.3.1冷喷涂的原理和优点

1.3.2冷喷涂的应用

1.3.3冷喷涂在燃料电池动力系统中的应用

2喷管热力过程分析及几何参数计算

2.1引言

2.2拉伐尔喷管的热力计算及几何参数计算

2.2.1拉伐尔喷管在各种条件下的热力性能分析

2.2.2喷管参数计算和内型设计

3喷管内超音速气固两相流动的数值模拟

3.1单相气流数值模拟

3.1.1引言

3.1.2模型的建立及数值计算结果和讨论

3.2气固两相流数值模拟

3.2.1引言

3.2.2物理模型

3.2.3数学模型

3.2.4数值计算

3.2.5结论

4结论及进一步的工作建议

4.1结论

4.2进一步的工作建议

4.3冷喷涂实验系统设计

4.3.1喷管及供粉装置的设计

4.3.2冷喷涂实验系统设计

致谢

参考文献

附 作者在硕士学位期间发表的论文目录