电场辅助冷喷涂气固两相流影响因素研究

摘要

在冷喷涂研究中,气体和颗粒的速度直接影响喷涂效果,所以对气体和颗粒速度的研究十分重要。虽然国内外对冷喷涂气固两相流数值模拟研究很多,但其颗粒粒径研究范围大多限制在1-50μm之间,无法制备颗粒粒径在100nm以下的纳米级涂层。
　　本文针对纳米级颗粒进行电场辅助冷喷涂气固两相流数值研究。首先建立气固两相流对称模型,对喷管内外流场进行数值模拟,研究不同压强、温度和喷涂距离对气流速度的影响,分析微米颗粒类型和粒径对颗粒速度的影响。冷喷涂工艺参数为:气体选择空气;颗粒分别为铜、金和碳;颗粒粒径分别为0.1μm、5μm、15μm、25μm和35μm;压力分别为1.5MPa、2MPa和2.5MPa;温度分别为400K、500K和600K;喷涂距离分别为10mm、15mm和25mm。研究结果表明,当喷涂距离为15mm时,压强和温度越大,气流和颗粒速度越高。当压强为1.5MPa,温度为400K时,不同喷涂距离对管内气流速度无影响。密度较大的大粒径颗粒和密度小的小粒径颗粒不易被载气加速到较高的速度,应根据颗粒的密度和粒径选择适当的工艺参数。
　　然后在CFD软件基础上进行二次开发,对超音速气固两相流流场和电场进行耦合数值模拟,探讨相同电量不同粒径纳米对其颗粒速度的影响,研究相同粒径不同电量纳米颗粒对其速度的影响以及相同电量不同材料和密度对颗粒速度影响规律。其它参数不变的条件下,电压为70kV,颗粒分别为铜、铁和铂;颗粒粒径分别为30nm、60nm、100nm和400nm;带电量分别为2000e、6000e和10000e。研究结果表明,带电纳米颗粒粒径越小,板前撞击速度越高;颗粒电荷密度越高,作用在颗粒上的电场力越强,颗粒撞击速度越高;相同粒径的不同材料和颗粒密度对颗粒撞击速度没有影响,表明电场辅助冷喷涂过程中颗粒速度主要受电场力的影响。
　　本研究成果可为纳米级涂层的制备提供理论指导。

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1绪论

1.1课题来源

1.2冷喷涂发展背景及意义

1.3国内外研究概况

1.4本文研究的主要内容

2冷喷涂数值模拟基本理论

2.1气体动力学理论

2.2激波前后参数关系

2.3数值求解方法

2.4本章小结

3气固两相流数值模拟

3.1 CFD简介

3.1数学模型

3.2物理模型

3.3数值计算过程

3.4模拟结果和分析

4电场辅助气固两相流数值模拟

4.1UDF和UDS概述

4.2物理模型

4.3电场辅助两相流数学模型

4.4电场边界条件设定

4.5电场模拟结果和分析

4.6本章小结

5结论和展望

5.1结论

5.2创新点

5.3展望

参考文献

附录

作者简历

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