CN108629105A - 一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，通过模拟计算的方法研究了铺展过程中不同条件下液滴的温度和速度随时间变化的分布，得到了与计算凝固过程近似的环境条件，克服了实际试验过程中难以检测的不足，为反应等离子喷涂制备涂层的理论研究与实践结果相结合搭建桥梁。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，特别涉及一种计算液滴铺展过程流场变化的模拟方法。
背景技术
等离子喷涂属于热喷涂成型工艺的一种，喷涂材料在等离子焰流中主要经历四个阶段：反应孕育、飞行燃烧、结构转变、碰撞到基体表面后铺展叠加形成涂层。因此，涂层的结构与撞击到基体表面后液滴铺展过程中温度及速度的变化密切相关。由于液滴形成涂层的过程复杂、时间较短，使得液滴铺展凝固过程的研究无法从实验和理论研究角度得到满足。目前，研究涂层的形成过程主要采用数值模拟方法，模拟方法包括光滑流体动力学方法、LS-DYNA有限元法(Aalami-AleaghaME,FeliS,EivaniAR.FEMsimulationofsplattingofa moltenmetaldropletinthermalspraycoating[J].ComputationalMaterialsScience,2010,48(1):65-70.)、建立求解数学模型法、有限体积法求解流体方程(BotCL,VincentS,MeillotE,etal.Numericalsimulationofseveralimpactingceramic dropletswithliquid/solidphasechange[J].Surface&CoatingsTechnology,2014,268(3):272-277.)等。尽管这些方法已经在热喷涂方式制备的涂层研究中取得一定的进展，但由于不同方法存在的不足之处，难以考虑到影响涂层形成过程中的每个变量，不能结合所有研究方案对比判断出哪个影响因素的重要性。由于等离子喷涂方式制备涂层过程中具备反应时间快、速度较大等特点，本发明借助FLUENT流体计算软件，主要研究不同碰撞速度及不同直径大小的液滴形成的流场对比。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于针对上述对涂层形成过程中影响因素的研究不充分的不足，提供了一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法。通过模拟计算的方法研究了铺展过程中不同条件下液滴的铺展过程中速度随时间变化的分布，得到了与计算凝固过程近似的环境条件，克服了实际试验过程中难以检测的不足，为等离子喷涂制备涂层的理论研究与实践结果相结合搭建桥梁。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤一，构建二维计算模型，进行网格划分。
步骤二，调用结构化网格，在FLUENT软件中General选项中进行基本问题的求解设置。
步骤三，选择计算模型，选用欧拉-欧拉方程对两相流模型进行数值计算。并设置粘性模型为层流。
步骤四，设置材料的物理特性。定义或选择计算区域涉及材料的物理参数。
步骤五，定义主相与次相，设置两相之间的表面张力等参数。
步骤六，给定边界条件。
步骤七，设置离散方法及离散格式。
步骤八，设置松弛因子参数。
步骤九，调整求解控制的相关参数，初始化流场后进行求解。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：数值计算模拟方法能保证计算结果的准确性。对满足等离子喷涂方式制备涂层的形成过程中的条件进行计算，由此得到的液滴铺展过程的流场，可以为实际试验得到的液滴铺展形态提供理论研究，为铺展后凝固结晶的过程计算及分析提供数据支撑。本实施案例中，以100m/s和200m/s的速度(即实际喷涂条件下不同枪距的控制)去撞击基体材料，得到的如图2、4所示的速度场的分布。随着速度的增大，在相同时间内(0.1μs)和相同条件下，液滴接触基体后飞溅明显，尾部速度增大明显。由此推测出，等离子喷涂过程中，射流中相近直径大小的液滴，速度越大(即喷枪射流靠近中心位置)越容易引起飞溅，导致涂层中空隙和孔洞等缺陷的存在，致使涂层的力学性能下降。如图5所示，当液滴直径相差5μm的条件下(即实际喷涂条件下气体的输送量的控制)，直径大的液滴引起的飞溅速度明显。通过条件的对比，可以对实际喷涂条件下得到高质量涂层的操作具有指导意义，避免对实际试验资源造成不必要的浪费，节省研究成本及研究时间。
附图说明
图1是本发明实施例1中步骤一构建的二维计算模型图。
图2是本发明实施例1中的液滴随时间变化的速度场分布图，其中，图2(a)为0.1μs时的速度场分布，图2(b)为0.2μs时的速度场分布。
图3是本发明实施例1中的液滴撞击基体铺展过程中不同时间内的液体体积分数变化轮廓图，其中，图3(a)为0.1μs时的液体体积分数变化轮廓图，图3(b)为0.2μs时的液体体积分数变化轮廓图。
图4是本发明实施例2中的液滴不同时间点内速度场的分布图，其中，图4(a)为0.1μs时的速度场分布，图4(b)为0.2μs时的速度场分布。
图5是本发明实施例3中的不同直径液滴在速度场的分布图，其中，图5(a)为直径为50μm的液滴在1μs时的速度场分布，图5(b)为直径为45μm的液滴在1μs时的速度场分布。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明提出的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，构建二维计算模型，进行网格划分。
步骤二，调用结构化网格，在FLUENT软件中General选项中进行基本问题的求解设置。
步骤三，选择计算模型，选用欧拉-欧拉方程对两相流模型进行数值计算。并设置粘性模型为层流。
步骤四，设置材料的物理特性。定义或选择计算区域涉及材料的物理参数。
步骤五，定义主相与次相，设置两相之间的表面张力等参数。
步骤六，给定边界条件。
步骤七，设置离散方法及离散格式。
步骤八，设置松弛因子参数。
步骤九，调整求解控制的相关参数，初始化流场后进行求解。
所述步骤二具体包括：调用已划分好的结构网格，设置单位，并检查是否有错误出现。选择计算为非稳态计算。
所述步骤三具体包括：选择计算模型为多相流模型，采用VOF(Volumeof Fluid)法进行自由界面的捕捉，通过对体积分数的连续性方程的求解，实现运动界面的追踪。粘性模型为不可压缩层流。
所述步骤六具体包括：边界条件设置包括压力进口边界，压力出口边界，两个压力边界的参考压强均为一个标准大气压。使用恒压边界条件，使得流动方向主要受计算域内部状态影响。若采用自由流边界会导致回流的存在影响收敛速度。铺展界面为壁面，壁面采用无滑移边界条件。
所述步骤七具体包括：离散方法采用有限体积法，生成二维瞬态对流-扩散问题的控制方程，
在控制体积区域内和时间段内，对方程进行积分，得到积分控制方程后，需要在对流项引入QUICK离散格式，将界面物理量用节点物理量表示，并在对流项、扩散项和源项中引入全隐式的时间积分，得到离散方程。下一步进行离散方程的调整，采用压力速度耦合PISO算法。调用PISO算法进行瞬态问题计算的流程步骤如下：初始化u，v，p，φ；设置时间步长Δt；t＝t+Δt，u0＝u，v0＝v，p0＝p，φ0＝φ，调用PISO算法在时间步长内进行迭代计算至收敛；当时间t＞tmax，结束。所调用的PISO算法包含一个预测步、两个修正步，预测步骤利用猜测的压力场求解动量离散方程，得到速度场后进行修正，修正后必须满足连续性方程，得到压力修正值后可再次计算一个速度场，利用该速度场再次求解动量方程，得到经两次修正后的速度场及二次压力修正值。
下面采用具体实施案例来验证本发明方法，其步骤如下：
实施例1
第一步，构建如图1所示模型，计算域单位均为微米。本实施例计算域为500*100μm，液滴距基体位置3μm，进行结构化网格划分，网格单元大小为0.5μm，以保证网格数量以提高计算精度。
第二步，在FLUENT软件中General选项中进行基本问题的求解设置，单位设定特定因子0.000001，将单位转化为微米。设置瞬态即非稳态条件下，重力加速度为-9.81m/s2。
第三步，采用VOF(VolumeofFluid)模型进行气液界面边界的捕捉，相数为2，其他为默认设置。粘性模型为不可压缩层流。
第四步，本实施例中液滴材料设置为镍滴。密度7850kg/m3，粘度系数0.006Pa·s。
第五步，主相为空气流体相，次相为液滴流体相，表面张力值为1.35。
第六步，压力进口边界，参考压强为101325Pa；压力出口边界条件，参考压强101325Pa。液滴碰撞基体面设置为壁面条件，接触角为60°。
第七步，选择压力速度耦合PISO算法，离散计算方程格式为高阶离散QUICK格式，其他条件选择默认设置。
第八步，松弛因子参数采用默认设置。
第九步，初始化计算模型参数，施加本实施例液滴速度为100m/s,直径为50μm，液滴体积分数为1。设定时间步长及求解的时间步数，并设置数据保存路径，进行求解计算。本实施例计算模型设置的时间步长为1ns,时间步数为2500步，总计算时间为2.5μs。图2为液滴以100m/s的速度撞击基体铺展过程中，不同时间点速度场的分布，图3为对应时间节点液体体积分数分布的轮廓图，可清晰看到液滴在瞬态条件随时间的变化，以及液体体积分数的变化。
实施例2
本实施例操作步骤类似实施例1，不同之处在于本实施例的液滴速度以200m/s开始铺展。图4为本实施例的液滴不同时间点内速度场的分布图。与实施例1相比，如图2(a)与图4(a)在相同时间内，由于速度的增大，速度场变化明显，铺展速度明显加快，边缘处卷起的速度较大。由于该实施例在理想状态下，未加入壁面的热阻抗值及温度场的计算，计算结果与实际条件相符。由此对比可得出，等离子喷涂过程中，射流中相近直径大小的液滴，速度越大越容易引起飞溅，导致涂层中空隙和孔洞等缺陷的存在，致使涂层的力学性能下降。实际条件下可通过控制喷枪距基体表面的距离对沉积速度进行控制，但枪距距离不能超过一定的限定值，否则距离太大可能导致喷射流四散，无法沉积到表面。
实施例3
本实施例操作步骤类似实施例1，不同之处在于本实施例的液滴的直径大小为45μm。结果如图5所示，与实施例1相比，不同液滴直径大小条件下，直径大的液滴引起的飞溅速度明显。实际喷涂条件下可通过控制气体的输送量，以控制铺展液滴直径的大小，气体输送量越大，液滴直径越小。模拟需要进一步调整计算模型中液滴直径大小，达到可优化实际操作步骤中的工艺参数设定的目的。对实际生产具有指导意义。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (6)
1.一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一，构建二维计算模型，进行网格划分；
步骤二，调用结构化网格，在FLUENT软件中General选项中进行基本问题的求解设置；
步骤三，选择计算模型，选用欧拉-欧拉方程对两相流模型进行数值计算；并设置粘性模型为层流；
步骤四，设置材料的物理特性；定义或选择计算区域涉及材料的物理参数；
步骤五，定义主相与次相，设置两相之间的表面张力等参数；
步骤六，给定边界条件；
步骤七，设置离散方法及离散格式；
步骤八，设置松弛因子参数；
步骤九，调整求解控制的相关参数，初始化流场后进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：调用已划分好的结构网格，设置单位，并检查是否有错误出现；选择计算为非稳态计算。
3.根据权利要求1所述的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：选择计算模型为多相流模型，采用VOF法进行自由界面的捕捉，通过对体积分数的连续性方程的求解，实现运动界面的追踪；粘性模型为不可压缩层流。
4.根据权利要求1所述的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：边界条件设置包括压力进口边界，压力出口边界，两个压力边界的参考压强均为一个标准大气压；使用恒压边界条件，使得流动方向主要受计算域内部状态影响；铺展界面为壁面，壁面采用无滑移边界条件。
5.根据权利要求1所述的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，所述步骤七具体包括：离散方法采用有限体积法，生成二维瞬态对流-扩散问题的控制方程，
在控制体积区域内和时间段内，对方程进行积分，得到积分控制方程后，需要在对流项引入QUICK离散格式，将界面物理量用节点物理量表示，并在对流项、扩散项和源项中引入全隐式的时间积分，得到离散方程；下一步进行离散方程的调整，采用压力速度耦合PISO算法；调用PISO算法进行瞬态问题计算的流程步骤如下：初始化u，v，p，φ；设置时间步长Δt；t＝t+Δt，u0＝u，v0＝v，p0＝p，φ0＝φ，调用PISO算法在时间步长内进行迭代计算至收敛；当时间t＞tmax，结束；所调用的PISO算法包含一个预测步、两个修正步，预测步骤利用猜测的压力场求解动量离散方程，得到速度场后进行修正，修正后必须满足连续性方程，得到压力修正值后可再次计算一个速度场，利用该速度场再次求解动量方程，得到经两次修正后的速度场及二次压力修正值。
6.根据权利要求1所述的一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法，其特征在于，其具体步骤如下：
第一步，构建二维计算模型，计算域单位均为微米；计算域为500*100μm，液滴距基体位置3μm，进行结构网格划分，网格单元大小范围为0.5μm；
第二步，在FLUENT软件中General选项中进行基本问题的求解设置，单位设定特定因子0.000001，将单位转化为微米；设置瞬态即非稳态条件下，重力加速度为-9.81m/s2；
第三步，采用VOF模型进行气液界面边界的捕捉，相数为2，其他为默认设置；粘性模型为不可压缩层流；
第四步，本实施例中液滴材料设置为镍滴；密度7850kg/m3，粘度系数0.006Pa·s；
第五步，主相为空气流体相，次相为液滴流体相，表面张力值为1.35；
第六步，压力进口边界，参考压强为101325Pa；压力出口边界条件，参考压强101325Pa；液滴碰撞基体面设置为壁面条件，接触角为60°；
第七步，选择压力速度耦合PISO算法，离散计算方程格式为高阶离散QUICK格式；
第八步，松弛因子参数采用默认设置；
第九步，初始化计算模型参数，设置液滴速度为100m/s,直径为50μm，液滴体积分数为1；设定时间步长及求解的时间步数，并设置数据保存路径，进行求解计算。
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