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粒径与载气等因素对冷喷涂气固两相冲击射流流场影响的数值模拟研究

张涛  
【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。超音速冷喷涂是一种新型的表面涂层制备方法,具有诸多优点,得到了国内外学者的广泛关注。然而作为新兴技术,其理论还待继续完善,喷涂质量和效率尚待提高。在冷喷涂过程中,由于气体超音速流动撞击靶面形成涂层过程的实验研究较困难,因此通过数值模拟方法再现复杂流动状态、优化实验方案有重要研究意义及应用价值。 利用有限体积法对轴对称可压缩的N-S方程进行离散,对喷嘴出口的超音速垂直冲击射流进行了数值模拟。网格的划分采用非结构性网格,湍流模型为S-A湍流模型,在近壁处采用壁面函数进行修正。通过建立二维数学模型,采用有限体积法离散控制方程,用simple算法处理压力与速度之间的耦合,对可压缩气体超音速射流流场进行数值模拟分析。对于气固两相流的模拟,采用颗粒轨道模型(欧拉—拉格朗日模型),将粒子视为稀相,不考虑粒子对气体的影响,且忽略粒子间的相互作用。 本文在已有研究的基础上,通过数值模拟,运用通用比较成熟的流场计算软件Fluent,以冷喷涂技术中的超音速冲击射流流场为研究对象,获得了喷射流场的压力、温度、速度等参数的分布和变化情况;分析了激波对流场的影响;研究了基板与喷嘴之间的最佳距离、粒子的最佳尺寸、合适的输送气体等;最后就复杂多孔喷嘴出口截面对冷喷涂涂层性能的影响进行了计算分析。


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