溶液前驱物等离子喷涂中液滴蒸发雾化的动力学研究

摘要

溶液前驱物等离子喷涂在材料的表面处理和变性等方面有着重要的应用价值，相比于常规的喷涂工艺，通常该技术产生的微纳米结构涂层具有高均匀性、致密性等特点。本文分别采用基于CAB(Cascade Atomization and Drop Breakup)和KH-RT(Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor)模型的多相流模型针对典型的溶液前驱物等离子射流场进行了数值研究，分析了溶液前驱物等离子射流场中典型的特征区域和前驱物液滴在等离子射流场中的雾化和蒸发等复杂行为，讨论了影响等离子喷涂涂层质量的主要因素。本文的主要内容可总结为如下几个方面:
　　(1)从对物理机制的解释、应用范围、优势及局限性等角度出发，比较了CAB和KH-RT两种雾化模型的共同点和差异，并对单个水和酒精液滴在等离子射流场中的雾化给出了预测结果。
　　(2)针对轴向入射的单相液体等离子射流场和径向入射的溶液前驱物等离子射流场分别应用CAB和KH-RT模型对等离子射流场进行了数值模拟，确定了热核心区和二次雾化剪切区的存在并分析了两个区域的特征，讨论了上述两类算例下所预测的特征区域位置差异;同时，结合液滴SMD的演化趋势讨论了液滴的热力学行为。
　　(3)针对径向入射的溶液前驱物等离子射流场数值模拟结果，对前驱物液滴在等离子射流场中行为给出了更为细节的讨论。分别从前驱物液滴在射流场中的演化趋势、液滴的轴向速度和温度在射流场中的空间分布以及液滴在射流场下游的粒径分布三个方面详细阐述了当以水和酒精做溶剂时前驱物液滴的蒸发雾化行为的共性和差异，并给出了两种前驱物液滴在等离子射流场中的粒径及分布对热核心区和二次雾化剪切区的反映情况。
　　(4)对影响溶液前驱物等离子喷涂涂层质量的因素进行了讨论并予以分类，同时，考察了液滴本身的物性、等离子气体成分和基板位置等三个因素对前驱物液滴在等离子射流场中的蒸发雾化特性的影响，并根据研究结果在工业层面上给出了溶液前驱物等离子喷涂工艺参数和操作条件的选择及匹配原则。
　　本文首次对溶液前驱物等离子射流场中液滴的蒸发雾化现象进行了数值模拟研究，分析了等离子射流场中的动量和热量分布，区分了热核心区和二次雾化剪切区的不同特征，并讨论了热核心区和二次雾化剪切区对前驱物液滴在相应区域的蒸发雾化行为的影响。同时，结合前人的实验研究工作，分析了影响溶液前驱物等离子喷涂涂层质量的内外因，并通过详细的数值模拟确定了影响良好蒸发雾化特性的主要参数。

目录

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致谢

摘要

常用符号说明

1 绪论

1．1．1 雾化射流技术

1．1．2 等离子喷涂技术

1．2 液体的雾化和蒸发过程及数学建模

1．2．1 雾化

1．2．2 蒸发

1．3 溶液和悬浮液前驱物等离子喷涂的研究现状

1．4 本文的主要内容及创新点

2 数学模型

2．1 颗粒轨道模型

2．2 流场模型

2．2．1 基本描述

2．2．2 控制方程

2．3 粒子模型

2．3．1 基本描述

2．3．2 液滴的追踪和传热模型

2．3．3 液滴的雾化模型

2．3．4 液滴的蒸发模型

2．4 本章小结

3 计算模型的验证和算例设置

3．1 基本描述

3．2 计算框架

3．2．1 计算域

3．2．2 边界条件和初始条件

3．3 蒸发模型的验证

3．4 流场的数值模拟结果及验证

3．5 本章小结

4 溶液前驱物等离子射流场中液滴的蒸发雾化机制研究

4．1 两种雾化模型分别作用下的单个液滴破碎过程

4．1．1 KH-RT模型中的参数选择

4．1．2 液体物性对单液滴破碎的影响

4．1．3 粒径对单液滴破碎的影响

4．1．4 气体Weber数对单液滴破碎的影响

4．2 蒸发雾化机制研究

4．2．1 高温等离子射流场中单相液滴(不含喷涂材料)雾化特性

4．2．2 溶液前驱物等离子喷涂中(含喷涂材料)液滴的雾化特性

4．3 本章小结

5 前驱物液滴群在等离子射流场中的演化行为

5．1 液滴群在射流场中演化趋势

5．2 液滴群的温度和轴向速度在射流场中的空间分布

5．3 液滴群在射流场下游的粒径分布

5．4 本章小结

6 溶液前驱物等离子喷涂过程中液滴群的蒸发雾化特性参变量研究

6．1 关于等离子喷涂涂层质量的思考

6．1．1 商质量涂层的基本特征

6．1．2 影响等离子喷涂涂层质量的因素分析

6．2 溶液前驱物等离子喷涂中的液滴群蒸发雾化特性的影响因素研究

6．2．1 液体物性对雾化效果的影响

6．2．2 等离子气体成分对雾化效果的影响

6．2．3 基板对雾化效果的影响

6．3 本章小结

7 总结和展望

7．1 总结

7．2 研究展望

参考文献

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