高速电弧喷枪流场模拟研究.pdf

中国表面工程 2005年第 1期总第 70期 27 高速电弧喷枪流场模拟研究 项建海索双富 清华大学 精密仪器及机械学系北京 100084 摘 要电弧喷枪流场特性是影响电弧喷涂质量的关键因素之一文中运用 CFD 软件 Fluent对高速电弧喷枪头部 及枪外射流进行了模拟计算通过分析可以看出枪外射流可以分为射流核心区射流卷吸区和射流湍流区受欠膨 胀激波反射和相交的影响枪外射流的速度分布具有不均匀性其轴线射流速度存在剧烈波动同时呈现先递增后衰 减的规律受丝材的影响枪外射流速度分布呈现空间不对称性,其丝材所在平面流场的发散性大于丝材垂直平面的发 散性为了保证涂层质量提高沉积率喷涂距离控制以及喷嘴封闭气帽形状的合理设计显得非常重要 关键词高速电弧喷枪流场特性数值模拟Fluent 中图分类号TG174.442 文献标识码A 文章编号10079289200501002703 Studies of Computational Fluid Dynamics in the Flow Field of a High Velocity Wire Arc Spray Gun XIANG Jian-hai, SUO Shuang-fu Department of precise instrument wire arc spray gun; numerical simulation; fluent 0 引 言 高速电弧喷涂是20 世纪 90 年代研制成功的新 型热喷涂技术它是利用气体动力学原理将高压 空气或高温燃气通过特殊设计的拉瓦尔喷嘴加速 后作为电弧喷涂的高速雾化气流来雾化和加速熔 融金属并将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致 密涂层[1]高速电弧喷涂具有雾化效果好涂层致 密及结合强度高等优点成为热喷涂技术研究领域 的热点之一目前大多数研究集中于工程试验对 理论方面的研究比较少实际上流场特性决定喷 涂的整个过程只有对流场进行深入的了解才可以 更有目的的进行设计才能进一步对现有喷涂系统 进行优化和控制 在高速电弧喷涂中涉及到的流体主要是雾化 收稿日期20041009修回日期20050104 作者简介项建海1980, 男汉, 浙江瑞安人硕士研究生 粒子和高速气体混合形成的气固两相流考虑到雾 化粒子的跟随性较好对流场的影响小不妨采用 单相流湍流模型[2]利用 FLUENT流体分析软件来 对电弧喷枪的流场进行模拟计算 FLUENT是目前 国际上比较流行的商用 CFD 软件包它具有丰富 的物理模型先进的数值方法以及强大的前后处理 功能在航空航天汽车设计石油天然气涡轮 机设计等方面都有着广泛的应用[3]文中的工作将 FLUENT应用于高速电弧喷枪流场的模拟可加深 理解问题产生的机理为试验研究提供指导节省 试验所需的人力物力和时间并对试验结果的整 理和规律的得出起到很好的指导作用 1 喷枪物理模型 研究对象为自行研制的高速电弧喷枪喷枪喷 嘴为拉瓦尔喷嘴其收缩段为维托辛斯基曲线扩 张段采用特征线法设计喉部用圆弧过渡喷枪使 万方数据 28 高速电弧喷枪流场模拟研究 项建海 等 用 3 mm 丝材 其触点位置位于距离喷枪出口 5 mm 处喷嘴结构以及流场速度分布压强大小等将直 接影响电弧喷涂雾化粒子的动量粒度以及飞行轨 迹从而影响涂层孔隙率结合强度表面粗糙度 等性能参数为考察喷枪头部流动区域的流体流动 特性将喷枪作部分简化其 1/4 模型如图1 所示 图1 喷枪头部1/4模型图 Fig.1 1/4 model of the gun’s head 2 控制方程及数值方法 高速射流可假设为定常可压缩粘性流满足如 下的 NS 方程 上式中是控制体 是控制体边界面 W 是求解变量F 是无粘通量G 是粘性通量H 是 源项矢量 WFG 分别定义为 采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行 空间离散采用 Coupled 显式求解器求解并利用 Fluent6 的标准 k湍流模式进行计算 3 基于 Fluent 的流场计算 3.1 网格划分 将上述简化的喷枪头部模型作为计算基本模 型由于喷涂喷枪的实际喷涂距离一般在150200 mm之间故在原基本模型的基础上合理扩大计 算域同时为了考察喷涂截面的流场特性计算边 界应该取到足够大以使出口边界参数不影响喷涂 截面的流场特性 文中利用网格处理软件Gambit对喷枪头部流 场区域进行建模考虑到丝材空间布置对流场的影 响采用三维模型其整体网格如图2所示 图 2 计算模型网格局部图 Fig.2 Partial grid model of the gun’s head 3.2 边界条件类型及初始条件设定 射流的边界条件设置如下 来流边界喷嘴 入口面设置为 PRESSURE INLET类型 出口边 界远场出口面的设置为 PRESSURE OUTLET 类 型 壁面边界采用无滑移绝热壁条件 喷 流边界使用喷流出口参数 根据喷枪的结构及试验条件可确定算例的计 算条件其中入口边界和初始化主要参数为 入口静止温度 T1300 K 入口静止压强 P10.65 MPa 环境压强 P00.101 MPa 3.3 喷枪头部及枪外射流模拟计算结果分析 图 3 为喷枪射流速度矢量图高速电弧喷枪射 流是一个带有对周围环境气体强烈卷吸作用的湍 流发展过程射流过程可以被分解为3 个区域射 流核心区射流卷吸区和射流湍流区射流核心区 为高速层流区是电弧喷枪熔滴雾化和加速的核心 区域在射流卷吸区射流核心区与在速度上有巨 大差别的周围环境气流发生强烈的卷吸作用使射 流速度逐渐衰减射流湍流区是射流湍流完全发展 图 3 喷枪射流速度矢量图/m/s Fig.3 Vector velocity contour of the gun’s jet []HWdVFG dAdV t Ω∂ΩΩ ∂ − ∂ ∫∫∫∫∫∫∫∫ 0 ,, xi yi zi ijj uupi u WvFuvpjG w uwpk E vquEpu ρ ρ ρ τρ ρρτ ρ τρ ρ τρ              万方数据 中国表面工程 2005年第 1期总第 70期 29 的区域由于射流与周围环境空气的强烈作用使 得射流边缘形成环状涡流并被带到下游射流外 部边缘相邻的涡流环相互聚合缠结最终完全破 裂为大尺度的漩涡随着周围环境空气的不断卷 入射流核心区的层流被破坏射流过渡为湍流 此时射流速度将大幅衰减 图 4图 5 分别是喷枪射流 XY 平面丝材所 在平面和 XZ平面丝材垂直平面速度分布图 图 6 是射流轴线速度分布图从中可以看出枪外流 场的速度分布是不均匀的射流速度最大值为 580 m/s该值出现在离拉瓦尔喷嘴出口0.5 d 的位置d 为喷嘴喉部直径 由于激波反射 相交及激波栅格 的影响 在离喷嘴出口到 10 d 之间射流速度剧烈波 动呈现近似周期变化流场速度大小在400500 m/s 之间波动在离喷嘴出口 10 d 之后流场速度 迅速衰减在 15 d 处速度降为 200 m/s 左右 图 4 XY 平面流场速度分布图 m/s丝材所在平面 Fig.4 Velocity contour in XY plane of the gun’s jet The plane where wires lie 图 5 XZ 平面流场速度分布图 m/s丝材垂直平面 Fig.5 Velocity contour in XZ plane of the gun’s jetThe plane vertical to the wire 此外从图 4图 5 中可以看出丝材的存在 使流场在丝材平面上的扩散性大大增加这不仅将 增加流场与周围静止流场的卷吸作用使流场速度 加速衰减同时也将时部分雾化熔滴扩散到周围环 境中降低了沉积率因此在喷枪设计时可以采 用特殊几何形状的封闭气帽如图7 所示从而减 少流场在丝材平面的扩散 图 6 喷枪流场轴线速度分布 Fig.6 Velocity distribution along the axis of gun’s jet 图 7 椭圆型封闭气帽 Fig.7 Shroud cap model with elliptical exit 4 结 语 通过Fluent 对高速电弧喷枪头部及枪外流场的 数值计算可以看出枪外流场具有明显的不均匀 性 空间不对称性 其轴线射流速度存在剧烈波动 同时呈现先递增后衰减的规律同时由于丝材存 在对流场的影响丝材所在平面的流场较垂直平面 上流场具有更大的扩散性 参考文献 [1] 徐滨士, 刘世参, 等. 表面工程 [M]. 北京 机械工 业出版社, 2000.102-105. [2] 古丽亚. 电弧喷枪流场研究与数值模拟分析 [D]. 北京 清华大学精仪系2003, 37-38. [3] 李勇刘志友, 等. 介绍计算流体力学通用软件 Fluent [J]. 水动力学研究与进展 A 辑2001 162 254-258. [4] 陶文铨. 数值传热学 [M]. 西安 西安交通大学出版 社2001. [5] Milind Kelkar, Joachim Heberlein. Wire-Arc Spray Modeling [J]. Plasma Chemistryand Plasma Processing, 2002,221 1-25. 作者地址北清华大学精密仪器与机械系 100084 Tel 010 62796125 E-mail jianhai98 距离喷嘴出口的位置/mm 万方数据