超音速火焰喷涂过程的CFD仿真计算

摘要

超音速火焰喷涂技术以其超高的焰流速度和相对较低的温度,在喷涂金属碳化物和金属合金等材料方面显现出了明显优势,成为热喷涂领域中的一项重要工艺方法。超音速火焰喷涂过程是一个十分复杂的过程,它涉及到燃料的燃烧、湍流现象、可压缩流动、气-固两相流动甚至是气-液-固三相流动以及亚音速/超音速之间的转变等许多物理化学过程。影响超音速火焰喷涂涂层质量的工艺参数众多,而且参数之间都彼此相互影响。借助数值模拟方法对超音速喷涂过程进行仿真,可以分析喷涂过程中的气体动力学和颗粒动力学,为提高涂层质量提供理论指导。
　　本文以计算流体动力学软件Fluent为计算平台,采用Realizable k-湍流模型、离散相模型、单步反应机理的涡耗散模型以及8步反应机理的涡耗散概念模型,对以氧气为助燃气体,液体煤油为燃料,WC-17Co为喷涂粉末材料的JP-5000型的超音速火焰喷涂过程进行了仿真模拟。分析了在不同燃烧反应模型下气态流场中温度、速度、马赫数、压强以及各气体组分的变化规律。通过加入离散相模型,对WC-17Co粉末颗粒的飞行轨迹、颗粒速度和温度进行了研究,得出了燃烧模型、颗粒直径、颗粒形状与颗粒注入速度对颗粒飞行轨迹、颗粒速度和温度的影响规律。本文旨在为优化超音速火焰喷涂工艺参数提供一些理论指导。
　　计算结果表明,燃烧模型会影响整个气体流场的分布,从而也就影响了喷涂颗粒在气体流场中的动力学行为。当氧气质量流量为0.022kg/s,液态煤油质量流量为0.007kg/s时,涡耗散模型(EDM)预测燃烧室内的最高温度为3250K,压强能达到9.65个大气压,经喷管加速后,焰流在喷枪出口处的速度为2260m/s左右;涡耗散概念模型(EDC)预测燃烧室内的最高温度为3280K,压强能达到6.56个大气压,经喷管加速后,焰流在喷枪出口处的速度为2550m/s左右。综合考虑颗粒直径对飞行轨迹、颗粒速度和温度的影响,较适合的颗粒直径范围为10-40μm。适宜的颗粒注入速度范围为10-15m/s,小直径的颗粒最优注入速度约为15m/s,大直径的颗粒最优注入速度约为10m/s。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2超音速火焰喷涂技术

1.3计算流体动力学

1.4超音速火焰喷涂仿真的研究现状

1.5本文研究内容

第二章 超音速火焰喷涂过程仿真的数学模型

2.1引言

2.2计算流体动力学数学模型

2.3燃烧反应模型

2.4离散相模型

2.5本章小结

第三章 数学模型建立过程

3.1几何模型及网格划分

3.2边界条件

3.3燃烧反应机理

3.4数值求解控制

3.5本章小结

第四章 超音速火焰喷涂过程的气体动力学研究

4.1温度变化规律

4.2马赫数变化规律

4.3速度变化规律

4.4压强变化规律

4.5组分变化规律

4.6本章小结

第五章 超音速火焰喷涂过程的颗粒动力学研究

5.1引言

5.2燃烧模型对喷涂颗粒行为的影响

5.3颗粒直径对喷涂颗粒行为的影响

5.4颗粒形状对喷涂颗粒行为的影响

5.5颗粒注入速度的影响

5.6本章小结

第六章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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