CN113792505A - 一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法及系统，该方法包括：S1、建立熔滴撞击基底的三维模型；S2、进行三维网格划分；S3、在Fluent软件中进行基本问题的求解设置；S4、选择所需物理模型；S5、设置计算区域涉及气相和颗粒材料的热物性参数；定义主相与次相；S6、设置计算域条件及模型边界条件；设置求解法，确定求解精度；S7、全局初始化，标记熔滴所在的区域并局部初始化；S8、设定时间步长和总时间，开始计算；S9、进行数据分析和结果可视化输出，获得熔滴撞击基底的变形过程中的凝固过程、压力变化、温度场及速度场。该方法及系统有利于建立接近实际情况的等离子喷涂层片形成过程三维数值模型，模拟熔滴铺展、飞溅以及凝固过程。
Description
技术领域
本发明属于等离子喷涂技术领域，具体涉及一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法及系统。
背景技术
等离子喷涂是一种先进的表面处理技术，用于制造各种涂层，以保护工程材料免受磨损、腐蚀、侵蚀和热冲击。等离子喷涂原理是将粉末材料送入等离子射流中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层。由于等离子喷涂中的层片铺展和凝固发生在几微秒内，实时在线监测十分困难，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，所以需要通过数值模拟来认识层片的形成过程。
早期层片形成过程的模拟，使用的模型一般基于2D轴对称，熔滴垂直撞击于平基底。中国专利CN 201810396723.6公布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二维模型液滴在铺展过程中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。二维模型适用于模拟液滴垂直撞击平表面的情况，如果倾斜撞击或层片存在飞溅时，则需要使用三维模型来模拟。因而，针对现有等离子喷涂熔滴铺展凝固数值模拟的不足，有必要对等离子喷涂层片形成过程的三维数值模型进行完善，建立模拟熔滴铺展过程中传热、流动、凝固的计算流体力学模型。
在等离子喷涂工艺中，对基体表面进行喷砂处理来提高表面的粗糙度从而使得涂层能够很好的结合在一起。在等离子喷涂仿真过程中，如何建立粗糙表面基底的几何模型并划分合适的网格，以及如何设置物理模型和边界条件，是所需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法及系统，该方法及系统有利于建立接近实际情况的等离子喷涂层片形成过程三维数值模型，模拟熔滴铺展、飞溅以及凝固过程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，包括以下步骤：
S1、采用COMSOL软件构建粗糙表面基底，并建立熔滴撞击基底的三维模型；
S2、采用GAMBIT软件进行三维网格划分；
S3、将步骤S2中绘制完成的网格导入Fluent中，检查网格，在Fluent软件的General选项中进行基本问题的求解设置；
S4、在Fluent软件中选择所需的物理模型，打开能量方程，添加凝固或熔化、VOF多相流模块进行数值计算，设置粘性模型为层流；
S5、设置计算区域涉及气相和颗粒材料的热物性参数；定义主相与次相，设置两相之间的参数；
S6、设置计算域条件，并设置模型边界条件；然后，设置求解法，确定求解精度；
S7、进行全局初始化，然后用Fluent的Region Adaption标记熔滴所在的区域，对熔滴进行局部初始化；
S8、设定时间步长和总时间，然后开始计算；
S9、计算完成后，采用Fluent的后处理模块进行数据分析和结果可视化输出，获得熔滴撞击基底的变形过程中的凝固过程、压力变化、温度场以及速度场。
进一步地，所述步骤S1中，根据喷砂后的实际基底表面选择合适的粗糙度模型，所述粗糙度模型包括正弦模型、三角波模型、高斯分布模型以及分形几何模型。
进一步地，所述步骤S2中，采用结构网格，网格单元大小范围为0.5-1.5μm；对模型进行边界条件命名，流体域壁面为open，基体面为sub-wall，耦合壁面为inw和inw-shadow。
进一步地，所述步骤S3中，设置求解器为三维双精度求解器，采用并行计算，调用已划分好的结构网格，选择计算为瞬态计算。
进一步地，所述步骤S4中，选择计算模型为VOF多相流模型，以追踪熔滴铺展过程中的各流体表面；利用焓-多孔介质理论法来模拟传热过程熔滴的凝固。
进一步地，所述步骤S6中，设置熔滴和空气为流体域，基底为固体域；流体域和固体域中间采用耦合壁面连接，流体域壁面设置为压力出口；设置压力出口的温度与基底温度相同，压力为一个大气压；设置基底的五个面为固定温度壁面，温度为实际实验的预热温度。
进一步地，所述步骤S6中，采用PISO算法进行压力-速度耦合，梯度选项采用Green-Gauss Node Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，采用Geo-Reconstruct 来处理体积分数，其余各项采用二阶迎风Second Order Upwind离散格式。
进一步地，所述步骤S7中，对熔滴进行局部初始化包括设置熔滴的初始速度、初始温度和体积分数。
本发明还提供了一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在模拟中考虑由于喷砂冲击而引起的基底表面变形，采用随机粗糙面建模，建立粗糙基底。该模型考虑了基底形貌的影响，通过在Fluent软件中耦合求解熔滴撞击基底的动态数值模型，本发明的模型比现有模型更接近于实际情况，从而也从本质上揭示了层片形貌随基底转变的机制，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。
附图说明
图1为本发明实施例的方法实现流程图。
图2为本发明实施例中熔滴撞击基底的三维模型示意图。
图3为本发明实施例中熔滴撞击基体铺展过程形貌示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，包括以下步骤：
S1、采用COMSOL软件构建粗糙表面基底，并建立熔滴撞击基底的三维模型。
在本实施例中，根据喷砂后的实际基底表面选择合适的粗糙度模型，常用的粗糙度模型有正弦模型、三角波模型、高斯分布模型、分形几何模型等，本实施例中采用高斯分布模型建立粗糙面模型。
S2、采用GAMBIT软件进行三维网格划分，对模型进行边界条件命名。
在本实施例中，对模型进行网格剖分和边界条件设置，计算域单位均为微米；计算域为200*200*100μm，进行结构网格划分，网格单元大小范围为0.5-1.5μm，计算网格单位数为1153358；对模型进行边界条件命名，流体域壁面为open，基体面为sub-wall，耦合壁面为inw和inw-shadow，图2为熔滴撞击基底的三维模型示意图。
S3、将步骤S2中绘制完成的网格导入Fluent中，检查网格，在Fluent软件的General选项中进行基本问题的求解设置。
其中，设置求解器为三维双精度求解器，采用并行计算，调用已划分好的结构网格，选择计算为瞬态计算，设置瞬态即非稳态条件下，重力加速度为-9.81m/s2。
S4、在Fluent软件中选择所需的物理模型，打开能量方程，添加凝固或熔化、VOF多相流模块进行数值计算，设置粘性模型为层流。
在本实施例中，选择计算模型为VOF多相流模型，以追踪熔滴铺展过程中的各流体表面；利用焓-多孔介质理论法来模拟传热过程熔滴的凝固。
开启 VOF 模型，选择两相流，并打开 Implicit Body Force。开启凝固融化模型，糊状区系数值设为1×109。根据流场的流型选择层流模型；建立包含质量、动量和能量守恒的偏微分控制方程组；
三维瞬态不可压流体流动的连续和动量守恒方程（Navier-Stokes方程，简称N-S方程）分别表示为：
其中，
是速度矢量，ρ是密度，t为时间，p是压力，
为重力矢量，F vol 是外加的体积力，µ是粘度，S y是动量源项。
凝固过程中的能量方程可以写成：
其中，材料的焓H是显焓h和潜热ΔH之和。
因凝固造成的动量源项S y可以表示为如下形式：
其中，C是糊状区系数，ε是为了避免β=0时分母为0，设定为很小的值0.001。
S5、设置计算区域涉及气相和颗粒材料的热物性参数；定义主相与次相，设置两相之间的表面张力参数。
在本实施例中，熔滴材料为8YSZ，基底材料为inconel718，部分性质的固态和熔融态值相差较大，为了避免模拟时发生求解不收敛，采用在2K的温度范围内由固态值线性插值过渡到熔融态的数值。主相是空气，次相为8YSZ熔滴，设置表面张力系数为0.43。
S6、设置计算域条件：设置熔滴和空气为流体域，基底为固体域。
设置模型边界条件：流体域和固体域中间采用耦合壁面连接，接触热阻为1.05×10-8 m2·K·w-1，接触角为40°；流体域壁面设置为压力出口。设置压力出口的温度与基底温度相同，压力为一个大气压。基底的五个面为固定温度壁面，温度设置为实际实验的预热温度。
设置求解法，确定求解精度：
采用PISO算法进行压力-速度耦合，梯度选项采用Green-Gauss Node Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，采用Geo-Reconstruct 来处理体积分数，其余各项采用二阶迎风（Second Order Upwind）离散格式。
S7、进行全局初始化，然后用Fluent的Region Adaption标记熔滴所在的区域，对熔滴进行局部初始化。
全局初始化计算模型参数，标记熔滴区域，其中熔滴直径40μm，熔滴距基体表面位置2μm，熔滴局部初始化设置熔滴初始速度为200m/s，初始温度为3000K，熔滴体积分数为1。
S8、设定时间步长为0.1ns，总时间为2-3μs，然后开始计算。
S9、计算完成后，采用Fluent的后处理模块进行数据分析和结果可视化输出，获得熔滴撞击基底的变形过程中的凝固过程、压力变化、温度场以及速度场等。
本实施例中，Fluent软件的版本采用Fluent17.0。
本实施例还提供了一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用COMSOL软件构建粗糙表面基底，并建立熔滴撞击基底的三维模型；
S2、采用GAMBIT软件进行三维网格划分；
S3、将步骤S2中绘制完成的网格导入Fluent中，检查网格，在Fluent软件的General选项中进行基本问题的求解设置；
S4、在Fluent软件中选择所需的物理模型，打开能量方程，添加凝固或熔化、VOF多相流模块进行数值计算，设置粘性模型为层流；
S5、设置计算区域涉及气相和颗粒材料的热物性参数；定义主相与次相，设置两相之间的参数；
S6、设置计算域条件，并设置模型边界条件；然后，设置求解法，确定求解精度；
S7、进行全局初始化，然后用Fluent的Region Adaption标记熔滴所在的区域，对熔滴进行局部初始化；
S8、设定时间步长和总时间，然后开始计算；
S9、计算完成后，采用Fluent的后处理模块进行数据分析和结果可视化输出，获得熔滴撞击基底的变形过程中的凝固过程、压力变化、温度场以及速度场。
2.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据喷砂后的实际基底表面选择合适的粗糙度模型，所述粗糙度模型包括正弦模型、三角波模型、高斯分布模型以及分形几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用结构网格，网格单元大小范围为0.5-1.5μm；对模型进行边界条件命名，流体域壁面为open，基体面为sub-wall，耦合壁面为inw和inw-shadow。
4.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S3中，设置求解器为三维双精度求解器，采用并行计算，调用已划分好的结构网格，选择计算为瞬态计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S4中，选择计算模型为VOF多相流模型，以追踪熔滴铺展过程中的各流体表面；利用焓-多孔介质理论法来模拟传热过程熔滴的凝固。
6.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中，设置熔滴和空气为流体域，基底为固体域；流体域和固体域中间采用耦合壁面连接，流体域壁面设置为压力出口；设置压力出口的温度与基底温度相同，压力为一个大气压；设置基底的五个面为固定温度壁面，温度为实际实验的预热温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中，采用PISO算法进行压力-速度耦合，梯度选项采用Green-GaussNode Based法，压力修正方程采用Body Force Weighted模式，采用Geo-Reconstruct 来处理体积分数，其余各项采用二阶迎风Second Order Upwind离散格式。
8.根据权利要求1所述的一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法，其特征在于，所述步骤S7中，对熔滴进行局部初始化包括设置熔滴的初始速度、初始温度和体积分数。
9.一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真系统，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现如权利要求1-8所述的方法步骤。
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| CN113792505A true CN113792505A (zh) | 2021-12-14 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111107388.1A Pending CN113792505A (zh) | 2021-09-22 | 2021-09-22 | 一种基于Fluent的等离子喷涂层片形成过程仿真方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113792505A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116502426A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-07-28 | 东北电力大学 | 基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、终端和介质 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3341850A1 (en) * | 2015-08-25 | 2018-07-04 | Saudi Arabian Oil Company | Three-dimensional elastic frequency-domain iterative solver for full waveform inversion |
| CN108629105A (zh) * | 2018-04-28 | 2018-10-09 | 河北工业大学 | 一种计算等离子喷涂液滴铺展过程流场的方法 |
| CN109858192A (zh) * | 2019-03-15 | 2019-06-07 | 中国人民解放军陆军装甲兵学院 | 基于fluent mhd模块的数值仿真计算方法 |
| CN111324994A (zh) * | 2020-02-29 | 2020-06-23 | 西南交通大学 | 基于fluent模拟硬质相颗粒基体面分布情况的仿真计算方法 |
| CN112507639A (zh) * | 2021-01-08 | 2021-03-16 | 福州大学 | 一种可视化gmaw焊熔滴过渡动态过程的方法 |
-
2021
- 2021-09-22 CN CN202111107388.1A patent/CN113792505A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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| Title |
|---|
| 夏碧珠等: "平板基底对氨气一 氢气等离子喷涂射流场影响的流体动力学模拟", 机械工程材料, vol. 36, no. 9, pages 98 - 104 * |
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| CN116502426A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-07-28 | 东北电力大学 | 基于凝固融化过程结霜模拟方法、装置、终端和介质 |
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