CN111324994A - 基于fluent模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，属于数值仿真计算领域，包括以下步骤：S1：建立冷喷涂拉乌尔喷嘴几何模型，S2：划分网格并将网格导入FLUENT，S3：选择求解器与求解方法，S4：选择需要求解的基本方程，S5：指定材料颗粒的物理性质，S6：指定边界条件，S7：初始化流场，开始迭代求解，S8：气相收敛后加入离散相颗粒，S9：DPM中插入UDF程序，S10：计算结果的后处理，S11：根据需要重复上述步骤；本发明采用离散相数值模拟方法，通过对比冷喷涂气相速度变化规律以及颗粒运动轨迹，精确地完成颗粒喷至基体面分布情况，对解决冷喷涂颗粒在基板分布均匀性以及沉积情况提供了理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及数值仿真计算的技术领域，涉及基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法。
背景技术
近年来，具有低温高速、高沉积效率的冷喷涂制造技术受到研究学者的广泛关注。用压缩气体带动加速粒子，使喷涂粒子保持固态的同时，以超音速与基体碰撞。粒子此时发生剧烈的塑性形变从而形成涂层。FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和喷涂工艺等方面都有着广泛的应用。而传统FLUENT数值模拟出颗粒温度速度分布并不能达到要求，因此，编译UDF程序二次开发对FLUENT模拟冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况计算方法有重要意义。
因金属颗粒与硬质相颗粒沉积特性差异，导致冷喷涂制备复合涂层时涂层中硬质相含量偏离设计成分，从而限制了基于材料性能的复合涂层性能设计和冷喷复合涂层的快速制造及在零部件修复及再制造领域的扩展应用。针对如何调控涂层中硬质相颗粒分布，从而实现冷喷涂复合材料性能调控，解决当前难以准确预测冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况的问题，一种基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法有待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，本方法通过冷喷涂颗粒基体面分布的数值模拟中找出硬质相分布的规律，从而解决当前难以准确预测冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况的难题。
本发明采用的技术方案如下：提供基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，包括以下步骤：
S1：依据冷喷涂基体面的结构特点，建立求解区域的几何模型，选取网格类型剖分网格，设置边界条件；
S2：将S1绘制完成的网格导入FLUENT中，检查网格并调整网格的尺寸比例；
S3：选择求解器和求解方法，加载湍流能量方程；
S4：选择需要求解的湍流能量方程；
S5：指定气相和颗粒材料的物理性质；
S6：指定边界条件，调节解的控制参数；
S7：初始化流场，开始迭代求解；
S8：气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒包括金属相和硬质相，选用rosin-rammler的尺寸分布，指定金属相和硬质相的颗粒参数，选择射流类型和球型拽力定律；
S9：将自定义函数UDF插入到离散相模型中，选定设置离散相的初始条件ResetDPM Sources，开始迭代求解；(导入自定义函数UDF，依次按照定义(define)、用户自定义(user-defined)、函数(function)和应用(compile)的流程导入构建的自定义函数UDF)。
其中，自定义函数UDF的建立包括以下步骤：
1)根据离散相颗粒的金属相和硬质相在喷枪中受到拽力的函数关系，建立拽力的自定义函数；
2)根据离散相颗粒的金属相和硬质相在喷枪中受到冲蚀过程，建立基板颗粒尺寸的自定义函数；
S10：计算收敛后，记录气相速度变化云图；
S11：当计算结果与实验结果相符时，结束程序，输出计算结果；当结果与实验结果不相符时，对S1的模型或网格进行修改，并重复S2-S10的计算步骤。
进一步的，S1中，网格剖分指把一个面或者一个体划分为有限个很小很小的单元进行独立计算受力或者其他形式的力来表现整体的受力情况。优选的，网格单位数为654320。
进一步的，S1中，边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。S1的边界条件是命名与设置，S6的边界条件是赋予条件，添加具体的边界条件。S1设置边界条件具体为对模型进行边界条件命名，入口边界pressure inlet，出口边界pressure outlet，基体面substrate，喷枪壁面wall1，其他面wall2。
进一步的，S3中，求解器为三维双精度求解器，求解方法为耦合显式求解。加载湍流能量方程是软件中的一项常规操作步骤，对于该步骤的湍流能量方程指的就是S4中的湍流能量方程。
进一步的，S4中，选择SST k-omega的湍流能量方程。
进一步的，S5中，气相的物理性质包括密度、热导率和比热容；颗粒材料的物理性质包括密度、热导率和比热容。
进一步的，S6中，指定边界条件包括：设定入口压力、入口温度、出口压力和出口温度，壁面采用对流传热方式，wall2设置压力远区。优选的，采用压力入口，入口压力为2MPa，入口温度为800K，采用压力出口，压力为0.01MPa，出口温度为300K，壁面采用对流传热方式，wall2设置压力远区。
进一步的，S7中，初始化流场，优选的，设置初始温度800K，步长设置为0.00001s，步数设置为20000步，开始迭代求解。
进一步的，S8中，金属相和硬质相的颗粒参数均包括初始温度、质量流率、最大颗粒尺寸、最小颗粒尺寸、平均颗粒尺寸和分布指数，射流类型为Surface(面射)。
进一步的，S9中，所述离散相模型为Erosion物理模型，UDF程序采用VS编译。
进一步的，S9中，步骤1)中拽力的自定义函数为：
其中u是气固两相的相对速度，CD为金属相颗粒最小尺寸，
为气相的密度，dp为颗粒的平均尺寸；
步骤2)中基板颗粒尺寸的自定义函数为：D＝(P+n·D1)/(n+1)，其中D为基板颗粒尺寸，P为喷出颗粒尺寸，n为喷出颗粒数量，D1为原始平均颗粒尺寸；根据金属相颗粒和硬质相颗粒平均颗粒尺寸不同，当D大于金属相最小尺寸时，存储为UDM1；当D小于金属相最小尺寸时，存储为UDM2，得到硬质相颗粒基体面分布。
本发明通过对比冷喷涂气相速度变化规律以及颗粒运动轨迹，精确地完成颗粒喷至基体面分布情况，对研究冷喷涂颗粒在基板分布均匀性以及沉积情况提供了理论基础。
本发明的有益效果：
本发明将编译后的UDF程序插入到离散相模型中，通过用户定义的方式导入编译的UDF程序，完成二次开发，利用大型计算流体力学软件FLUENT中的DPM用户自定义子程序UDF与FLUENT软件相结合，将离散相颗粒添加到SST k-omega的湍流能量方程中，藕合气固两相，计算出喷出后颗粒尺寸并分离金属相和硬质相颗粒，分别存储于UDM1和UDM2程序中，得到真实情况复合粒子中硬质相颗粒基体面分布情况，通过温度速度场变化情况验证其有效性和准确性，给数值模拟工作带来便利，更准确预测冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况。
附图说明
图1为本发明的整体流程图；
图2为本发明的冷喷涂拉乌尔喷嘴三维模型示意图；
图3为本发明的冷喷涂拉乌尔喷嘴截面二维模型示意图；
图4为本发明的冷喷涂拉乌尔喷嘴三维模型网格剖分图；
图5为本发明的冷喷涂拉乌尔喷嘴气相速度云图；
图6为本发明的冷喷涂硬质相颗粒基体面分布云图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本实施例中除了步骤S5、S8和S9的参数依据被测材料的参数设定，其余步骤参数可以设定为下述实施例中的参数。
实施例1
本发明提供一种技术方案：一种FLUENT模拟冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况计算方法，结合附图1对本发明作进一步阐述，包括以下步骤：
S1：建立求解区域的几何模型，并对模型进行网格剖分和边界条件设置，采用非结构网格，计算网格单位数为654320；对模型进行边界条件命名，入口边界pressure inlet，出口边界pressure outlet，基体面substrate，喷枪壁面wall1，其他面wall2。图2为冷喷涂拉乌尔喷嘴三维模型示意图，图3为冷喷涂拉乌尔喷嘴截面二维模型示意图，表1为冷喷涂拉乌尔喷嘴各部位尺寸图。网格剖分指把一个面或者一个体划分为有限个很小很小的单元进行独立计算受力或者其他形式的力来表现整体的受力情况，图4为冷喷涂拉乌尔喷嘴三维模型网格剖分图。
表1
S2：将绘制完成的网格导入FLUENT中，检查网格并调整网格的尺寸比例；
S3：选择求解器与求解方法，加载湍流能量方程，求解器有四种，分别为：二维单精度求解器、三维单精度求解器、二维双精度求解器与三维双精度求解器，这里选择用三维双精度求解器，求解方法有三种，分别为：非耦合求解、耦合隐式求解与耦合显式求解，这里选择耦合显式求解；
S4：选择需要求解的湍流能量方程；本次实施例中选用SST k-omega的湍流模型，具体湍流模型求解过程如下：
质量守恒方程:也可以称作连续性方程，它指的是：在单位时间内，指定区域质量的增加量等于流入该区域的质量。需要明确的是任何流体都必须满足质量守恒方程。由此可导出方程：
上述表达式是质量守恒方程的普遍形式，适用于任何场合，针对定常流动和不可压缩流动的连续方程，需要再加入雷诺运输定理(式2-2)得出。
对于定常流动:
对于不可压缩流体：
质量守恒方程的微分表达式为：
针对二维轴对称问题，得出质量守恒方程为：
其中，ui：速度矢量；Sm：加入连续相的质量。
动量守恒方程：动量守恒可以表述为：增加的动量与流出的动量之和减去流入的动量等于施加在系统上的净力。由动量守恒定义可得出动量守恒的积分形式：
另外动量方程在x、y、z方向上的微分形式也推导可得出，该方程是以应力表示的黏性流体的运动方程，无论是牛顿流体还是非牛顿流体，层流流动还是湍流流动，该方程均适合。
能量守恒方程：指任意一个微元体中的能量的增加率，与进入该微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功的总和相等。
其中：Cp是比热；T0是总温度(停滞温度)；K是导热系数；Wν是粘性功；Qv是体积热源；Ek是动能；φ为粘性生热项。
微分形式的能量方程如下：
S5：指定气相和颗粒材料的物理性质；气相选用氮气，密度选用理想气体(ideal-gas)，热导率为0.0242W/m*K，比热容为1040.67J/(Kg*K)；材料颗粒的物理性质包括颗粒密度、热导率、比热容，具体如表2：
表二
S6：指定边界条件，调节解的控制参数:采用压力入口，入口压力为2MPa，入口温度为800K，采用压力出口，压力为0.01MPa，出口温度为300K，壁面采用对流传热方式，wall2设置压力远区；
S7：初始化流场，设置初始温度800K，步长设置为0.00001s，步数设置为20000步，开始迭代求解；
S8：气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒选用金属相和硬质相两种颗粒，选用rosin-rammler的尺寸分布，指定颗粒参数，包括颗粒初始温度、质量流率、最大颗粒尺寸、最小颗粒尺寸、平均颗粒尺寸、分布指数，选择射流类型和球型拽力定律:具体颗粒尺寸参数如表3：
S9：通过用户定义的方式导入编译的UDF程序，编译UDF程序包括以下步骤：
1)根据两种颗粒在喷枪中受到拽力的函数关系，利用C语言编写拽力的自定义函数：
其中u是气固两相的相对速度，CD为2.3(因为颗粒是非规则圆形)，ρ＝1.25为气相的密度，dp＝0.000008512m为颗粒的平均尺寸；
2)根据两种颗粒在喷枪中受到冲蚀过程，利用C语言编写基板颗粒尺寸的自定义函数：D＝(P+n·D1)/(n+1)，其中D为基板颗粒尺寸(m)，P为喷出颗粒尺寸(m)，n为喷出颗粒数量，D1＝0.000008512m为原始平均颗粒尺寸(m)；
3)根据金属相颗粒和硬质相颗粒平均颗粒尺寸不同，当D大于0.0000123m时，存储为UDM1；当D小于0.0000123m时，存储为UDM2，得到硬质相颗粒基体面分布；
打开离散相的Erosion的物理模型，将编译的UDF程序插入到离散相Erosion物理模型中，选定设置离散相的初始条件Reset DPM Sources，开始迭代求解；
S10：计算结果的后处理；计算收敛后，记录气相速度变化云图，图5为冷喷涂拉乌尔喷嘴气相速度云图，验证正确性。由此在后处理云图中得出UDM云图，也就是冷喷涂硬质相颗粒基体面分布云图，云图左边标尺代表User Memory2代表颗粒尺寸，单位(m)，完成一种FLUENT模拟冷喷涂硬质相颗粒基体面分布情况计算方法；
S11：当计算结果与实验结果相符时，结束程序；当结果与实验结果不相符时，对S1的模型或网格进行修改，并重复S2-S10的计算步骤。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。
Claims (8)
1.基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：依据冷喷涂基体面的结构特点，建立求解区域的几何模型，选取网格类型剖分网格，设置边界条件；
S2：将S1绘制完成的网格导入FLUENT中，检查网格并调整网格的尺寸比例；
S3：选择求解器和求解方法，加载湍流能量方程；
S4：选择需要求解的湍流能量方程；
S5：指定气相和颗粒材料的物理性质；
S6：指定边界条件，调节解的控制参数；
S7：初始化流场，开始迭代求解；
S8：气相收敛后加入离散相颗粒，离散相颗粒包括金属相和硬质相，选用rosin-rammler的尺寸分布，指定金属相和硬质相的颗粒参数，选择射流类型和球型拽力定律；
S9：将自定义函数UDF插入到离散相模型中，选定设置离散相的初始条件Reset DPMSources，开始迭代求解；
其中，自定义函数UDF的建立包括以下步骤：
1)根据离散相颗粒的金属相和硬质相在喷枪中受到拽力的函数关系，建立拽力的自定义函数；
2)根据离散相颗粒的金属相和硬质相在喷枪中受到冲蚀过程，建立基板颗粒尺寸的自定义函数；
S10：计算收敛后，记录气相速度变化云图；
S11：当计算结果与实验结果相符时，结束程序；当结果与实验结果不相符时，对S1的模型或网格进行修改，并重复S2-S10的计算步骤。
2.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，其特征在于，S3中，求解器为三维双精度求解器，求解方法为耦合显式求解。
3.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，其特征在于，S4中，选择SST k-omega的湍流能量方程。
4.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法,其特征在于，S5中，气相的物理性质包括密度、热导率和比热容；颗粒材料的物理性质包括密度、热导率和比热容。
5.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法,其特征在于，S6中，指定边界条件包括：设定入口压力、入口温度、出口压力和出口温度，壁面采用对流传热方式，wall2设置压力远区。
6.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法,其特征在于，S8中，金属相和硬质相的颗粒参数均包括初始温度、质量流率、最大颗粒尺寸、最小颗粒尺寸、平均颗粒尺寸和分布指数，射流类型为Surface。
7.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，其特征在于，S9中，所述离散相模型为Erosion物理模型。
8.根据权利要求1所述的基于FLUENT模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法，其特征在于，S9中，步骤1)中拽力的自定义函数为：
其中u是气固两相的相对速度，CD为金属相颗粒最小尺寸，ρ为气相的密度，dp为颗粒的平均尺寸；
步骤2)中基板颗粒尺寸的自定义函数为：D＝(P+n·D1)/(n+1)，其中D为基板颗粒尺寸，P为喷出颗粒尺寸，n为喷出颗粒数量，D1为原始平均颗粒尺寸；根据金属相颗粒和硬质相颗粒平均颗粒尺寸不同，当D大于金属相最小尺寸时，存储为UDM1；当D小于金属相最小尺寸时，存储为UDM2，得到硬质相颗粒基体面分布。
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