等离子体湍射流中微纳米颗粒的运动和传热过程

摘要

等离子体喷涂是一项重要而复杂的表面处理技术，利用该技术可以生产出高质量的纳米结构涂层。等离子体喷涂以微纳米粉体作为喷涂材料，以等离子体射流作为加速和熔化粉体的气体介质。等离子体喷涂过程涉及到许多复杂现象，比如，等离子体射流的产生，颗粒的入射，等离子体流场和颗粒之间质量、动量和热量的传递等。等离子体喷涂的理论研究远远落后于该技术的发展，本文旨在研究微纳米颗粒在等离子体湍射流中的动力学和热力学行为以及流场与颗粒之间的输运现象;从机理上分析喷涂过程中的各种现象，研究影响喷涂过程的参数以期对喷涂过程进行优化。
　　本文采用欧拉法和拉格朗日法相结合的理论，建立了高温等离体子射流中微纳米颗粒的受力、传热和相变的三维计算机模型。首先采用欧拉法求解流场，将等离子体湍射流场假设为多组分、可压缩、存在化学反应的理想气体，并用显式格式求解流场的瞬态过程。将计算得到的射流场温度与实验进行了对比，结果表明两者吻合良好，误差在10％以内。在已知流场信息和颗粒初始条件的情况下，采用基于拉格朗日描述的颗粒轨道法追踪不同颗粒的运动，用一维球形热传导模型求解液滴表面的对流传热、溶剂的蒸发和微米颗粒内部的热传导，采用微纳米颗粒多相流模型模拟多个微纳米粒子的受力、运动、雾化和碰撞等过程。
　　利用该三维数值模型，论文深入研究了单颗粒及多颗粒的动力学行为。首先对等离子体喷涂中的悬浮微纳米颗粒进行了详细的受力分析，比较了单个颗粒主要受到的拖曳力、Saffman力和布朗力的量级，并通过分析Stokes数，验证了当前流场参数下颗粒绕过基板边界层的临界粒径。其次，考虑了多颗粒之间的碰撞以及颗粒与流场之间的双向耦合，定量分析了颗粒入射对流场速度和温度的影响，比较了微米颗粒群与纳米颗粒群之间不同的运动和分布特点，研究了湍流扩散对多颗粒分布的影响。
　　论文对不同工况的喷涂过程进行了参数化研究。重点分析了输入功率和气体组分对流场以及颗粒参数的影响，研究了喷涂距离和基板尺寸对颗粒沉积效率的影响，比较了雾化入射和粉体入射两种入射方式对颗粒传热过程的影响，研究了入射位置、入射角度、液滴和聚合物尺寸对多颗粒释放百分数的影响。确定了有利于等离子体喷涂的工况参数。
　　本文通过计算观察到了实验无法观测到的单颗粒和多颗粒的运动过程，全面的参数分析对喷涂过程有重要的理论指导意义。

目录

声明

致谢

论文说明

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 热喷涂技术的分类和发展历程

1．2 等离子体喷涂技术组成和技术难点

1．3 等离子体射流的研究概述

1．4 颗粒多相流的研究概述

1．5 等离子体喷涂的参数化研究

1．6 研究目标和创新点

1．7 本文结构

2 等离子体喷涂的流场模型

2．1 等离子体流场的产生

2．2 等离子体流场的控制方程

2．3 化学反应

2．4 湍流模型

2．5 边界条件

2．6 本章小结

3 颗粒模型

3．1 多相流模拟方法

3．2 颗粒的计算模型

3．2．1 颗粒的受力模型

3．2．2 颗粒的传热模型

3．2．3 颗粒蒸发模型

3．2．4 悬浮液滴的雾化模型

3．2．5 悬浮液滴的碰撞模型

3．3 颗粒入射对等离子体射流的影响

3．4 多个颗粒生成的随机分布方案

3．5 本章小结

4 数值离散方法

4．1 等离子体流场控制方程的离散

4．2 颗粒相的处理和数值计算格式

4．3 本章小结

5 流场结果及单颗粒行为的研究

5．1 参数设置

5．1．1 悬浮等离子体喷涂流场参数设置

5．1．2 流场验证

5．1．3 其他流场结果

5．2 颗粒的受力分析和运动过程

5．3 颗粒的传热和相变过程

5．4 Stokes数与颗粒粒径的关系

5．5 本章小结

6 多颗粒行为的研究

6．1 微纳米颗粒运动、分布和传热的不同特点

6．2 颗粒入射对流场的影响

6．3 颗粒之间的碰撞研究

6．4 湍流扩散对多颗粒分布的影响

6．5 本章小结

7 喷涂过程参数研究

7．1 功率、气体组分对流场的影响

7．2 喷涂距离和基板尺寸对颗粒沉积的影响

7．3 本章小结

8 雾化参数研究

8．1 雾化入射与粉体入射对颗粒传热过程的影响

8．2 液滴和聚合颗粒尺寸对纳米颗粒释放位置的影响

8．3 入射位置、速度和入射角度对纳米颗粒释放的影响

8．4 本章小结

9 总结与展望

9．1 全文总结

9．2 工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间主要研究成果