CN111914452A - 基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Flow‑3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。本发明不仅仅体现在熔滴过渡时速度的推导上，还体现在熔滴温度、速度和大小对铺展形貌的影响上，通过同时调整熔滴初始状态的参数，可以得出不同参数下的铺展凝固形貌。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面改性技术，尤其是一种基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法。
背景技术
学者们对熔滴的过渡行为以及熔滴在基体表面铺展的物理模型进行了研究，但是微弧火花沉积熔滴的大小是微米级的，放电时间是微妙级的，由于微弧火花沉积熔滴过渡是个多场耦合的复杂热物理过程，在整个过程中温度、速度、应力等都是不停变化的，所以无法通过理论推导获得相应结果，只有采用数值计算技术来实现。Flow-3D是高效能的计算仿真工具，工程师能够根据自行定义多种物理模型，应用於各种不同的工程领域。藉由精确预测自由液面流动(free-surface flows)，Flow-3D可以在工程领域中改进现有制程。本文采用数值模拟对微弧火花沉积过程中熔滴在基体表面铺展凝固进行研究，有助于精确描述熔滴铺展的动态过程(热力学和动力学过程)，从而深入理解其动态过程中所发生的现象和规律。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，其特征在于：创建基体表面上沉积熔融金属滴的模型，模型由熔滴和基体组成，设置基体的长宽高分别为200μm、200μm、50μm，熔滴距离基体表面的距离为100μm，利用六面体网格技术进行网格划分，对于单个微弧火花熔滴过渡过程中，每个单元格的大小为2μm×2μm×2μm；
结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。
模型中电极的尖端距离基体一定的距离，熔滴具有向下和向右的初始速度。
采用的是笛卡尔坐标系，当网格单元充满液体时，F＝1；当网格单元中为空时，F＝0；当网格单元有部分液体时0<F<1；VOF函数中的F满足以下方程I：
式中：u，v和w分别表示x，y和z方向的速度矢量；Ax，Ay，Az分别表示x，y和z各自方向上流体开放的面积，VF表示单位网格中可流动液体的体积分数。
质量连续性方程，假设微滴为不可压缩流体，体积不变，在相变过程中密度不变，则应满足质量连续性方程II：
式中，ρ是微滴的密度。
对于动量守恒方程，在三个坐标方向上的流体速度分量(u，v，w)的运动方程是Navier-Stokes方程III：
式中τ是粘性应力，(wsx,wsy,wsz)项表示壁剪应力。
对于流体内部能量守恒方程IV，则表示为：
其中I是宏观混合物的内部能量；
假设能量I是温度的线性函数V：
I＝CVT+(1-fs)CLHT (V)
CV是恒定流量的流体的比热，fS是固体分数，CLHT是潜热，T为温度，TDIF用于表示热传导扩散项，由下式VI给出：
式中:k是指导热系数；
微滴与基体之间的传热过程中动态结构温度的方程VII是：
式中，Tw是指基体温度,ρw,Cw和kw分别是基体密度、比热容和热导率；Mw结构的质量。
基体熔滴的计算区域的边界条件设置：在设置整个计算域的边界条件时，将上表面设置为压力边界条件，四周表面设置为outflow边界条件，下表面设置为wall边界条件，除了液滴以外，所有在基体上方的区域都用空隙初始化，空隙区域的速度和压力均为零。
先对熔滴过渡速度进行较大范围的模拟，速度为1m/s、40 m/s和120 m/s不同过渡速度时熔滴在基体表面的铺展情况；将模拟与实验结果对比，从而推导出微弧火花沉积中熔滴的过渡速度范围。
本发明的有益效果是：为了扩宽微弧火花表面改性对熔滴过渡铺展的研究领域，现使用Flow-3D软件进行了沉积模型的开发。本发明创新之处在于，不仅仅体现在熔滴参数的多样变化上，对熔滴过渡速度的推导，还体现在可以得出熔滴在基体表面铺展不同时刻的动力学和热力学铺展状态。可为微弧火花表面改性技术领域的研究学者在Flow-3D软件中实现更复杂的、更贴合实际工况下的数值计算提供指导作用。
附图说明
图1是熔滴和基体示意图；熔滴1、基体2；
图2是不同速度的数值模拟俯视形貌对比图；
(a)v＝1m/s，(b)v＝40m/s，(c)v＝120m/s；
图3是不同速度下的微滴沉积三维形貌俯视图；
(a)v＝10m/s，(b)v＝20m/s，(c)v＝25m/s，
(d)v＝35m/s，(e)v＝40m/s，(f)v＝50m/s；
图4是不同温度下的微滴沉积三维形貌俯视图；
(a)T＝1800℃，(b)T＝2500℃，(c)T＝3000℃；
图5是不同直径下的微滴沉积三维形貌俯视图；
(a)d＝80μm，(b)d＝120μm，(c)d＝160μm；
图6是沉积数值解和实验值的对比图；
(a)d＝160μm，(b)d＝200μm，(c)d＝300μm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如图1-图6所示，基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，包括：
A1、数值基体熔滴的建立
结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。
A2、控制方程
采用的是笛卡尔坐标系，当网格单元充满液体时，F＝1；当网格单元中为空时，F＝0；当网格单元有部分液体时0<F<1。VOF函数中的F满足以下方程：
式中：u，v和w分别表示x，y和z方向的速度矢量；Ax，Ay，Az分别表示x，y和z各自方向上流体开放的面积，VF表示单位网格中可流动液体的体积分数。
质量连续性方程，假设微滴为不可压缩流体，体积不变，在相变过程中密度不变，则应满足质量连续性方程：
式中，ρ是微滴的密度。
动量守恒方程，在三个坐标方向上的流体速度分量(u，v，w)的运动方程是Navier-Stokes方程:
式中τ是粘性应力，(wsx,wsy,wsz)项表示壁剪应力。
能量守恒方程，流体内部能量守恒方程可以表示为:
其中I是宏观混合物的内部能量。
假设能量I是温度的线性函数
I＝CVT+(1-fs)CLHT (V)
CV是恒定流量的流体的比热，fS是固体分数，CLHT是潜热，T为温度。
TDIF用于表示热传导扩散项，由下式给出：
式中:k是指导热系数。
微滴与基体之间的传热过程中动态结构温度的方程是：
式中，Tw是指基体温度,ρw,Cw和kw分别是基体密度、比热容和热导率。Mw结构的质量。
A3、数值计算
数值水池中自由液面的求解采用流体体积函数方法，利用有限差分法对计算域进行计算，其他数值控制参数设定如下表1。
表1数值控制参数设定
A4、边界条件及网格设置
数值波浪水池的边界条件设置：在设置整个计算域的边界条件时，将上表面设置为压力边界条件，四周表面设置为outflow边界条件，下表面设置为wall边界条件，除了液滴以外，所有在基体上方的区域都用空隙初始化，空隙区域的速度和压力均为零。
网格设置；设置基体的长宽高分别为400μm、400μm、50μm，熔滴距离基体表面的距离为100μm。利用六面体网格技术进行网格划分，对于单个微弧火花熔滴过渡过程中，每个单元格的大小为2μm×2μm×2μm。
实例：在微弧火花沉积熔滴过渡中，如图1为熔滴与基体示意图。如图2中所示高速铺展导致的熔滴边缘断裂在微弧火花中并未出现，此现象在等离子喷涂可见，因此微弧火花的熔滴过渡的速度低于等离子喷涂，推导过渡速度为10m/s-50m/s之间。随着放电能量的增加，过渡到基体表面的熔滴温度、速度和尺寸增加，与图6中实验结果进行对比，图6(a)、(b)、(c)分别为放电电流为20A、40A、60A下的沉积斑形貌，模拟与实验相吻合，熔滴的铺展面积变大，溢出飞溅增多。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，其特征在于：创建基体表面上沉积熔融金属滴的模型，模型由熔滴和基体组成，设置基体的长宽高分别为200μm、200μm、50μm，熔滴距离基体表面的距离为100μm，利用六面体网格技术进行网格划分，对于单个微弧火花熔滴过渡过程中，每个单元格的大小为2μm×2μm×2μm；
结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：模型中电极的尖端距离基体一定的距离，熔滴具有向下和向右的初始速度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：采用的是笛卡尔坐标系，当网格单元充满液体时，F＝1；当网格单元中为空时，F＝0；当网格单元有部分液体时0<F<1；VOF函数中的F满足以下方程I：
式中：u，v和w分别表示x，y和z方向的速度矢量；Ax，Ay，Az分别表示x，y和z各自方向上流体开放的面积。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：质量连续性方程满足以下方程II：
式中，ρ是微滴的密度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：动量守恒方程在三个坐标方向上的流体速度分量(u，v，w)的运动方程是Navier-Stokes方程III:
式中τ是粘性应力，(wsx,wsy,wsz)项表示壁剪应力。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：流体内部能量守恒方程IV可以表示为：
其中I是宏观混合物的内部能量；假设能量I是温度的线性函数V：
I＝CVT+(1-fs)CLHT (V)
CV是恒定流量的流体的比热，fS是固体分数，CLHT是潜热，T为温度；TDIF用于表示热传导扩散项，由下式给出：
式中:k是指导热系数；
微滴与基体之间的传热过程中动态结构温度的方程VII是：
式中，Tw是指基体温度,ρw,Cw和kw分别是基体密度、比热容和热导率；Mw结构的质量。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：基体熔滴的计算区域的边界条件设置：在设置整个计算域的边界条件时，将上表面设置为压力边界条件，四周表面设置为outflow边界条件，下表面设置为wall边界条件，除了液滴以外，所有在基体上方的区域都用空隙初始化，空隙区域的速度和压力均为零。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：先对熔滴过渡速度进行较大范围的模拟，速度为1m/s、40m/s和120m/s不同过渡速度时熔滴在基体表面的铺展情况；将模拟与实验结果对比，从而推导出微弧火花沉积中熔滴的过渡速度范围。
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