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超音速喷嘴几何形状对冷喷涂工艺影响的研究

李芳  
【摘要】:本论文主要工作是国家自然科学基金项目“冷气体动力学喷涂制备功能涂层机理研究”的部分研究内容。在材料表面改性新技术——冷气体动力学喷涂(或简称冷喷涂)工艺中,喷嘴是使粉粒获得高速动能并实现高能量利用率的关键部件之一,而制备冷喷涂涂层的沉积速度、有效喷涂面积、均匀程度及涂层的质量主要取决于不同截面形状的喷嘴出口冲击射流速度及形成的有效喷涂区域等因素。 本文通过数值模拟,在已有研究的基础上,利用国际通用比较成熟的流场计算软件PHOENICS,采用SIMPLE算法扩展的SIMPLEST算法,以冷喷涂技术中的矩形喷嘴超音速冲击射流流场为研究对象,探究典型的喷嘴出口截面形状对气动热力参数的分布特点及流动形态的影响,分析了冲击射流下喷嘴出口的流体速度、温度和压力等参数分布情况,即流场中脱体激波的位置。进而采用IPSA算法,对矩形喷嘴气、固两相超音速自由射流进行数值模拟分析。 又鉴于矩形喷嘴有其内部流动效率低的缺点,故对喷嘴几何结构形式进行结构优化——初步选定椭圆形喷嘴。在单相自由射流情况下,采用对比算法,对具有相同截面积的椭圆形喷嘴超音速单相自由射流进行数值模拟计算,从有效喷涂面积、均匀程度涂层的质量、喷涂强度及喷涂效率的综合对比中,分析得出椭圆形喷嘴相对于矩形喷嘴和圆形喷嘴在冷喷涂技术中的优点。 推荐采用椭圆形喷嘴,进一步深入探究椭圆形喷嘴超音速冲击射流流场中的速度、温度和压力的分布。分析得出冲击射流中激波的位置和基板的最佳位置。最后对气、固两相超音速自由射流流场作了初步研究,得出两相射流中颗粒相对气相流动的影响。为进一步数值模拟超音速气、固两相冲击射流打下坚实基础。


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