基于双层雾化器设计的气体流场和雾化过程的模拟研究

摘要

材料制备技术中，喷射成形以快速凝固的特点得到广泛应用。雾化过程是喷射成形的关键，雾化器使金属液获得高能量和高速度，影响雾化效率、雾化范围、雾化质量及稳定性，决定坯锭性能，在雾化过程中有重要作用。
　　本文设计了一种新型双层复合式雾化器，由上层约束式雾化器和下层开放式雾化器组成，气室中增加挡板结构，以避免单向进气和双向进气造成的压力和气体流速不均等现象。
　　本文首先通过 Fluent进行流场状态模拟，探究新型双层复合式雾化器结构和工艺参数对气体流场的影响，确定新型双层复合式雾化器的最佳结构和工艺参数。然后，利用 Fluent对初次雾化、二次雾化以及雾化后液滴在流场中的运动规律进行模拟分析，从而深入了解雾化过程中液柱和液滴的破碎机制。最后，进行水雾化模拟实验，验证模拟结果。
　　通过对不同状态下流场的对比分析得出新型双层复合式雾化器的最优结构参数如下：上层雾化器出气口交角30°，下层雾化器的中心孔径60 mm，出气口交角60°，下层雾化器出气口位于导液管口上方5 mm；上层雾化压力0.4 MPa，下层雾化压力2.0 MPa时，流场比较稳定。
　　通过对雾化过程的分析以及雾化后液滴运动情况的观察得出：初次雾化时，随着上层雾化气体速度的增高，液柱的破碎模式由波动破碎向液膜破碎转变；二次雾化时，韦伯数（We）增大，液滴越容易破碎；雾化后液滴在流场中的运动受自身动能影响，动能大的受流场影响小。
　　通过水雾化模拟实验对模拟结果进行验证，结果表明该双层复合式雾化器工作性能良好，不同结构和压力配合下的流场特征与模拟结果基本一致，该双层复合式雾化器可应用于喷射成形生产。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2喷射成形概况及发展

1.3雾化过程

1.4雾化器

1.5课题研究的主要内容

第2章 Fluent数值模拟及实验方案

2.1引言

2.2 Fluent软件简介

2.3控制方程

2.4物理模型

2.5 Fluent求解方式

2.6实验方案

第3章 双层复合式雾化器结构优化及流场分析

3.1引言

3.2新型雾化器的设计和研究思路

3.3雾化器气室结构对雾化流场的影响

3.4雾化器结构参数对雾化流场的影响

3.5上下层雾化压力对流场的影响

3.6本章小结

第4章 金属液的雾化及液滴运动

4.1引言

4.2液柱变形与初次雾化

4.3液滴的变形与二次雾化

4.4液滴在流场内的运动

4.5本章小结

第5章 基于雾化器设计的物理模拟

5.1引言

5.2实验装置

5.3实验及结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢