摘要:在冷喷涂材料表面改性技术研究中,圆喷嘴气、固两相可压缩紊流射流的流场计算非常重要.在奥尔逊(Ｏｌｓｏｎ)可压缩二元射流理论基础上,对可压缩三元射流进行了分析、建模、计算.并在此基础上,采用固相单颗粒动力学模型,完成了实验要求的气、固两相射流流场计算.计算结果与实验结果比较,吻合良好.
0 引 言
常温下超音速气、固两相流制备功能涂层技术(简称冷喷涂技术)是一种全新的材料改性技术.由于在冷喷涂技术中,涂层材料的粉末(如金属或陶瓷粉末)在常温下被超音速气流加速并喷射到工件表面,涂层材料和工件材料表面晶相间咬和与掺杂,形成致密表面涂层.与目前应用广泛的热喷涂技术相比,被改性工件及涂层材料没有遭受高温熔化、气化和氧化,因此不存在像热喷涂中因高温熔融所造成的诸多缺陷.这使冷喷涂技术,尤其在基体材料受热易变形及需要保持涂层材料原有的优良性能的场合,有着热喷涂技术所无法比拟的优点,从而极大地弥补了热喷涂技术在应用上的局限性,具有极大的实用价值和广泛的应用前景.作者依据冷喷涂技术的实施设计方案,进行了冷喷涂机理的探索性实验研究.其中圆喷嘴气、固两相可压缩紊流射流的气体动力学计算分析是冷喷涂试验装置进一步优化设计的重要基础.
因冷喷涂技术研究的需要,本文在奥尔逊(Ｏｌｓｏｎ)对可压缩二元射流[1、2]分析的基础上加以扩展,对可压缩三元射流进行了分析.
1 计算模型与计算方程
1.1 气相模型方程
气、固两相射流普遍存在于工程实践中,已有不少学者对之进行了实验研究和数值计算[37],但由于其复杂的现象和机理,至今仍是重点研究的课题之一.根据奥尔逊应用的普朗特混合长度理论,同时考虑流体的可压缩性,假定混合边界层流速分布相似且呈高斯分布.图1(略）给出了可压缩三元紊流自由射流的力学模型.
考察图1中心线以上、流速为中心线流速一半位置ξ 以下、ｘ到ｘ+ｄｘ厚度的圆柱体(实际为微圆锥台)为控制体,依据变质量质点系的动量方程,应有
ｄρ0ｕ20πｈ2ｉ+∫ξ 0ρｕ2(ｘ,ξ)·2π(ｈｉ+ξ)ｄξ-ｄρ0ｕ20πｈ2ｉ
+∫ξ 0ρｕ(ｘ,ξ)·2π(ｈｉ+ξ)ｄξｕ =τ ·2π(ｈｉ+ξ )ｄx (1)
式中:ｕ0、ρ0分别为圆喷嘴出口处流速、密度;ｈｉ为射流核心区径向高度;ｕ 为控制体上界面流速.依据普朗特的混合长度理论中的第二假设,剪应力应为
τ =-ρ εｄｕｄξξ=ξ (2)
式中:ε=ｋξ ｕｃ2,ｕｃ为中心线处速度,ｋ为计算系数.在混合边界层内,设射流速度分布为高斯分布,即
ｕ/ｕｍ=ｅ-ｂ1(ξ/ξ )2 (3)
（以下理论计算略）
2 程序设计及考核
采用面向对象的编程方法,利用ＶｉｓｕａｌＣ++编写了有关计算程序.其特点是将气体流通多个代表性截面,抽象出一个最具通用性的抽象截面.其他具体截面(即具有特殊属性的真实截面)均为由此抽象截面作为基类派生出的子类对象.在抽象截面的基类中,封装了许多描述截面流体动力学性能的气体动力学参数及有关函数,这些函数分别为各参数间相互求解的气体动力学公式.这种封装,使得程序有很好的隔离性,便于以后的程序升级和改进,而且编程思路清晰,阅读方便.本程序首先从进料系统的送气接头和粉料进气接头开始,按气粉流通路径依次选择许多具有代表性的管道截面,并根据进气参数、气体动力学方程进行计算,求得该截面上气动性能参数.该程序首先计算出核心区的长度ｘｃ以及初始段内的速度分布,从而使初始段的流动情况完全求解.在主射流段内,核心区消失,射流轴心线上的速度比射流初始速度低,所以,对于射流主段,求取射流中心线上的速度最为关键.在本程序中利用前述公式求得Ｕ=Ｕ(ｘ),从而由Ｕ=ｕｍ/ｕ0求解中心线上流速ｕｍ(ｘ),采用类似于初始段的求解方法获得其他参数.在单气相射流计算的基础上,忽略固体颗粒对气相流速的影响,应用以上单颗粒动力学模型,完成流场中固体颗粒的流速求解.本计算程序的考核数据选用已公开发表的Ｅｌｇｈｏｂａｓｈｉ的实验结果[6].表1给出了射流计算的初始条件,在距离喷口ｘ=20ｄ(ｄ为喷口直径)处的速度分布计算结果见图2,其中ｕｐ为粒子速度,ｕｇ为气体速度,ｕｇｍ为气体轴向速度,计算值与实验值基本吻合,考核结果令人满意.
3 对整个射流流场的计算结果
利用该计算程序,固相选取锌粉颗粒,进行自由射流流场计算,初始参数见表2,计算结果见图3（略）.图3给出了不同射流截面上的两相流速度分布,可以看到粒子喷出后,其扩散速度较气体慢,使得粒子的速度边界比气相的窄.图中沿ｘ轴正方向,依次选取了ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ和ｆ6个位置作为计算截面位置.据图中速度分布情况,ａ、ｂ和ｃ截面均处于射流初始段,中心轴线上气、固两相速度保持相等(均为射流初始速度),而在ｃ点仅轴线位置气、固相速度相等,故ｃ点正是射流核心区结束的位置,即确定了射流核心区长度ｘｃ的值;ｄ、ｅ和ｆ截面则处于射流的主段中,在气、固两相初始速度一致的条件下,射流过程表现为气相流束在逐步扩张减速,而颗粒由于惯性则保持原有的速度,这就使得气、粒两相出现速度差.随着速度差的增大,气相对颗粒的阻力增大,颗粒速度衰减,使在轴线位置出现了气、固两相的速度差.表2同时给出了各计算截面轴线上的气、固两相速度值以及射流核心区长度ｘｃ的值.
4 结 语
该计算模型抓住主要因素,使模型得以简化.计算结果与实验结果吻合良好.定量研究了冷喷涂试验研究中气体与粉末两相射流流动这个直接关系到涂层效果的因素,为确定基板与喷嘴间最佳距离、优化实验方案提供了理论依据.本计算方法对工程计算有较好的适用性.
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