CN104516998A - 基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法，按照下述步骤进行，首先利用前处理软件建立几何模型，将喷枪内部以及外部空间区域为对象，对其划分结构网格以建立求解区域，其次对所建立的求解区域设置控制方程，打开离散相模型来追踪液体颗粒的传热、传质行为；然后设置边界条件、材料属性、求解控制参数并初始化和收敛标准以及监控变量，最后利用软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，完成仿真。本发明采用基于双面壁面边界条件，方便超音速火焰喷涂过程的仿真计算出口边界条件参数值的设置，减少边界估算值影响仿真模拟收敛速度的不利影响。

Description

基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法

技术领域

本发明属于热喷涂领域，更加具体地说，涉及超音速喷涂领域的一种数值仿真计算方法中出口边界的设置方法，即一种对超音速喷涂燃烧流场模拟的实施出口边界条件的简便方法。 

背景技术

热喷涂技术可以喷涂一些耐磨、耐热、耐腐蚀的材料从而可以延长零部件的寿命、提高零部件的性能并可以降低维修成本。超音速喷涂技术相比于其他热喷涂技术如等离子喷涂，由于其独特的特性——温度相对较低、速度很高，因而喷涂材料不易过热而撞击基体的速度极高，得到的涂层结合力很高、孔隙率很低，所以超音速喷涂获得了很好的应用。 

实际应用中往往需要优化工艺参数，优化工艺参数若采用试验的方法则需要进行大量的试验，代价较大，此时可以使用CFD来进行数值仿真来优化工艺参数。CFD软件是计算流体力学（ComputationalfluidDynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 

目前，超音速热喷涂仿真模拟出口边界都设置在喷枪出口处，由于靠近喷枪出口其边界条件参数值往往无法测量得到，根据经验估算的数值往往由于不符合实际造成仿真计算收敛困难，因此需要让出口边界远离喷枪出口，此时喷枪壁面两侧都有网格，因而需要设置管壁壁面为双面壁面，外部壁面设置为绝热壁面，内部壁面设置为等温壁面， 其温度值等于冷却水流出的温度值，此时在这个较远的出口边界上设置边界值估算数值较容易并且消除了估算值对仿真计算带来的不利影响。 

发明内容

为了克服现有仿真技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于使用双面壁面边界条件来实施超音速火焰喷涂过程外场的出口边界，使得仿真计算时设置出口边界参数值变得相对容易，减少参数估计值对仿真计算带来的不利影响。 

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现： 

基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法，按照下述步骤进行： 

（1）利用前处理软件Gambit，根据喷枪内部的几何形状和尺寸建立喷枪的几何模型； 

（2）在步骤（1）的基础上，根据喷涂距离，10倍喷枪管径的要求确定喷枪外部的几何区域； 

（3）以步骤（1）（2）所建立的喷枪内部以及外部空间区域为对象，对其划分结构网格以建立求解区域； 

（4）对上述步骤所建立的求解区域设置控制方程，所述控制方程包括：连续性方程，动量方程，能量方程，组分输运方程，k-ε湍流方程； 

（5）打开离散相模型（DPM）来追踪液体颗粒的传热、传质行为； 

（6）为上述控制方程设置边界条件；尤其是双面壁面，外部壁面设置为绝热壁面，内部壁面设置为等温壁面，其温度值等于冷却水流出的温度值； 

（7）定义材料属性，其中气相密度选择为ideal-gas；比容选择为mixinglaw； 

（8）设置求解控制参数并初始化； 

（9）设置收敛标准以及监控变量； 

（10）利用FLUENT软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，完成基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂过程的仿真。 

与现有技术相比，本发明采用了基于双面壁面边界条件，可以方便超音速火焰喷涂过程的仿真计算出口边界条件参数值的设置，减少了边界估算值影响仿真模拟收敛速度的不利影响。本发明提供一种基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法。可以迅速并且直观地模拟出超音速火焰喷涂过程中各个位置处的压强、温度、速度、组分浓度。本发明方法可通过改变工艺参数来研究工艺参数对喷涂过程的影响，为设计和优化超音速火焰喷涂工艺参数提供参考，具有重要的实用价值。 

附图说明

图1为本发明中基于双面壁面边界条件超音速火焰喷涂过程中双面壁面边界。 

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。 

本发明涉及的区域模型为喷涂距离300mm。外部场域宽度为10倍喷枪管径。入口、出口温度均为室温300K。分别为0.03kg/s，0.01kg/s。入口压强为7atm。 

其主要实现步骤如下： 

（1）利用前处理软件Gambit，根据喷枪内部的几何形状和尺寸建立喷枪的几何模型；对其划分四边形结构网格以建立网格模型； 

（2）把步骤（1）所建立的网格导入到Fluent内，对导入的网格进行Scale，使导入的网格单位由m转换成mm；检查网格，保证不存在负体积； 

（3）为求解区域设置压力求解器（Pressure-BasedSolver），选择稳态计算（Steady），开启能量方程； 

（4）开启Realizablek-ε湍流模型，并采用标准的壁面函数以及粘性耗散，其余采用默认设置； 

（5）开启组分输运方程（SpeciesTransport），激活体积反应选项，湍流与化学反应之间的交互作用（Turbulence-ChemistryInteraction）使用涡耗散模型（Eddy-Dissipation）来描述，激活热扩散（ThermalDiffusion）选项以反映温度差对组分输运的影响，激活扩散能量源项（DiffusionEnergySource）以反映组分浓度的变化对能量分布的影响； 

（6）开启离散相模型（DPM），离散相与连续相之间通过进行耦合计算来追踪液体颗粒的传热、传质行为； 

（7）定义混合气体材料的物性，其中气相密度选择为ideal-gas，表示混合气体为理想气体，为可压缩流；比容选择为mixinglaw，表示混合气体的比容是各个纯气体组分比容的质量分数平均值，每个气体组分的比容采用分段多项式（piecewise-polynomial）设置，此时比容与温度相关； 

为混合气体材料设定其组成成分，对于本例，采用煤油（C12H23）为燃料，氧气(O2)为氧化剂，出于方便，我们假设煤油与氧气燃烧之后产物全部为CO2和H2O。燃烧机理的化学方程式如下： 

C12H23+17.75O2=>12CO2+11.5H2O 

把混合气体的热传导系数k、粘度μ设置为ideal-gas-mixing-law。 

（8）为上述开启的模型设置边界条件。在入口处把C12H23、O2、CO2和H2O的质量分数分别设为0、1、0、0，这就表示在入口处为纯氧气；入口处的温度为300K,压强为7atm，质量流量为氧气的质量流量：0.01kg/s。湍流参数值：湍流强度：5%，水力直径为入口的直径。在出口处把C12H23、O2、CO2和H2O的质量分数分别设为0、0.233、0、0，这就表示在出口处为空气；出口处的温度为300K,压强为1atm；湍流参数值：湍流强度：5%，湍流粘度比：10。对于壁面处的边界，由于壁面两侧都划分了网格，在导入Fluent后，壁面的就会被处理成双面壁面，但是该双面壁面对于温度边界在默认时耦合的（coupled），在本例中，把外部壁面设置为绝热壁面，内部壁面设置为等温壁面，其温度值等于冷却水流出的温度值； 

（9）设置求解控制参数并初始化；选择coupled算法来处理速度和压力的耦合关系，对流项的离散格式在初始计算时使用一阶迎风格式，待收敛后再改成更为精确的二阶迎风格式；初始计算时亚松弛因子取默认值的一半，待计算稳定后，再逐渐增大亚松弛因子到默认值。初始化采用混合初始化（HybridInitialization）； 

（10）设置收敛标准以及监控变量；能量方程的收敛标准为10-6，其他方程的收敛标准为10-3； 

（11）利用FLUENT软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，由于模型较多，残差下降较困难，此时也可以通过质量守恒以及能量守恒（差值＜0.5%）来判断收敛与否，完成基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂过程的仿真。 

通过基于双面壁面边界条件对超音速火焰喷涂过程进行的数值模拟，此时，出口边界参数值的设置相对变得宽泛，降低了边界条件参数估计数值对仿真计算收敛速度带来的不利影响。 

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法，其特征在于，按照下述步骤进行： 

（1）利用前处理软件Gambit，根据喷枪内部的几何形状和尺寸建立喷枪的几何模型； 

（2）在步骤（1）的基础上，根据喷涂距离，10倍喷枪管径的要求确定喷枪外部的几何区域； 

（3）以步骤（1）（2）所建立的喷枪内部以及外部空间区域为对象，对其划分结构网格以建立求解区域； 

（4）对上述步骤所建立的求解区域设置控制方程，所述控制方程包括：连续性方程，动量方程，能量方程，组分输运方程，k-ε湍流方程； 

（5）打开离散相模型（DPM）来追踪液体颗粒的传热、传质行为； 

（6）为上述控制方程设置边界条件；尤其是双面壁面，外部壁面设置为绝热壁面，内部壁面设置为等温壁面，其温度值等于冷却水流出的温度值； 

（7）定义材料属性，其中气相密度选择为ideal-gas；比容选择为mixinglaw； 

（8）设置求解控制参数并初始化； 

（9）设置收敛标准以及监控变量； 

（10）利用FLUENT软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，完成基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂过程的仿真。