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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
研究采用拉瓦爾噴管的冷噴涂技術(shù)模型中
參數(shù)對粒子速度的影響
關(guān)鍵詞：冷噴涂技術(shù)；模型；九孔拉瓦爾噴管；粒子速度
摘要
單孔和九孔拉瓦爾噴管的模擬超音速流場是在液體動力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計算。在研究中，對于單孔和九孔拉瓦爾噴管，相隔距離和粒子直徑對銅粒子的沖擊速度影響是不同的。結(jié)果表示在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度高于單孔拉瓦爾噴管中的粒子速度，并且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管也能獲得更高的粒子速度。此外，在研究中發(fā)現(xiàn)不同的噴射壓力和溫度對銅粒子的粒子速度也有影響。模型研究表明較高的噴射壓力和溫度可以獲得較好的粒子噴射速度。
介紹
冷噴涂的過程中，噴嘴和基體之間的相隔距離（SoD）是重要參數(shù)之一，它直接影響了粒子的沖擊速度。許多學(xué)者已經(jīng)把研究重心集中在這一個問題。pattison［1] 發(fā)現(xiàn)當(dāng)SoD很小時，一個噴流弓形激波會在超音速射流和基體之見的沖擊區(qū)域內(nèi)成型，并且當(dāng)它減少粒子沖擊速度時，噴流弓形激波對工作過程是有害的。他的研究也表明堆積效率接近SoD，和噴流弓形激波的堆積效率被壓縮在SoD的40% ，小于60毫米或者更少時要使用一個定做的氦氣噴嘴，在2.0 MPa和200 °C 條件下工作。Alkhimov［2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射空氣和氦時，噴流弓形激波和基體之間所造的壓縮層的厚度取決SoD，而SoD越小，壓縮層越厚。他的研究也表明鋁粒子作為直徑小于5微米的粒子，在壓縮層中明顯減速。Gilmore［3] 和 Dykhuizen［4] 也發(fā)現(xiàn)直徑小于5微米的粒能被減速甚至從噴流弓形激波中遠(yuǎn)離基體。
這項(xiàng)研究要表明九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管相比，減少噴流弓形激波對粒子速度沖擊所帶來的不利的影響，在相同狀態(tài)之下會獲得比較好的噴射效果。
理論模型
數(shù)學(xué)模型。
可壓縮的流量是一種非常復(fù)雜、廣泛的現(xiàn)象，并且噴嘴的實(shí)際流量是在實(shí)際條件下不恒定的等熵流量。噴嘴的流量內(nèi)部被認(rèn)為是一個穩(wěn)定的等熵流量在理論上是為了簡化模擬。用方程[5]描述這個過程。
連續(xù)方程：
動量方程：
能量方程：
狀態(tài)方程：
u、p和T分別表示流量速度、壓力和溫度；p、和k分別表示流量密度，黏性應(yīng)力張量和熱傳導(dǎo)性，相應(yīng)的；e，D分別表示每一單位容積內(nèi)的黏著性和粘性耗散。
粒子可以被視為離散階段連續(xù)氣流，球形粒子的加速度氣流可以由方程［6]來表達(dá)，粒子之間的相互作用和重力可以被忽略。
，，分別表示粒子速度、直徑和密度；是阻力系數(shù)而且=，和相互聯(lián)系，是是雷諾數(shù)目并被定義為： ，u 是液體動力粘度，而且這方程際地被應(yīng)用于＜50000.
幾何學(xué)的模型。
冷噴涂過程的噴射流量是由噴管的內(nèi)部流量和自由的噴射流量組成。由于九孔噴管的使用，一個三維模型建立在這一研究中。圖1是九孔噴管的截面圖，有八個小孔直徑為1.67毫米均勻分布一個直徑為2.6毫米的中心孔周圍，整個圓的直徑為6.4毫米。距離 L（如圖1所示）是小孔于中心孔的距離2.25 毫米，這九個孔的總面積等于直徑為5.4毫米的單孔的面積。在其他方面九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管是一樣的，圖2表示單孔拉瓦爾噴管的截面和計算域，其主要尺寸見表1。
圖1 九孔拉瓦爾噴管的橫截面
表一 單孔拉瓦爾噴管的主要尺寸
接口條件及解決方法
圖2 單孔拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)和計算區(qū)域
如圖2所示，入口氣體為選定的壓力入口邊界條件，和出口氣體為選定的壓力出口邊界條件，都在常溫常壓下進(jìn)行。并且選定空氣為加速狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn)湍流模型是作為分散氣體湍流流場，和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)能被用來處理近壁區(qū)。二階逆風(fēng)離散化方案用于解方程。分散相的計算連續(xù)的流場。
結(jié)果與討論
SoD對粒子速度的影響
直徑為2微米單孔拉瓦爾噴管和九孔拉瓦爾噴管對銅粒子沖擊速度的影響如圖3所示，當(dāng)噴射壓力P是2.5MPa 和噴射溫度T為700K兩者情況是不同的。明顯看出在相同模擬條件下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度要高于單孔拉瓦爾噴管。并且SoD越小，九孔拉瓦爾噴管內(nèi)的粒子速度越高。從圖中也明顯看到單孔拉瓦爾噴管在P=2.5MPa和T=700K情況，SoD值為40毫米。
圖3 SoD對粒子速度的影響 圖4 粒子直徑對粒子速度的影響
當(dāng)使用單孔拉瓦爾噴管時，一系列壓縮波由于基體前的超音速氣流壓縮而生產(chǎn)。壓縮波相互疊加時，沖擊波就會發(fā)生。當(dāng)沖擊波，壓力，密度，氣流溫度急劇上升，馬赫數(shù)急劇下降時，超音速氣流將變成亞音速氣流。由于沖擊波的影響粒子的速度不斷減小，增強(qiáng)基體的抗沖擊強(qiáng)度和減少SoD的距離，對粒子速度沒有影響。
所以在九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度會使氣流趨于穩(wěn)定。
粒子直徑對粒子速度的影響。
圖4表示在模擬狀態(tài)SoD=40mm, P=2.5MPa ，T=700K下，銅粒子通過拉瓦爾噴口撞擊基體時，粒子直徑對粒子速度的影響。它明顯的說明用不同的拉瓦爾噴管會獲得不同的粒子速度，在相同條件下，使用九孔拉瓦爾噴管的粒子速度高于使用單孔拉瓦爾噴管的粒子速度。
因?yàn)樾×Ｗ泳哂械唾|(zhì)量、低慣性，并且易受氣體影響，所以沖擊基體之前，粒子速度的沖擊波將減小。若使用九孔拉瓦爾噴管，沖擊波減弱時，粒子速度變化不大。較大的粒子具有較高的質(zhì)量，較大的慣性并且不易被氣體所加速，因此這樣的粒子速度不能影響沖擊基體的沖擊波。因此九孔拉瓦爾噴管適用與小粒子。
壓力對粒子速度的影響
圖5所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時壓力對粒子速度的影響。如圖5所示的距離噴嘴進(jìn)口到基體的距離為X。它明顯的表示了在噴嘴和基體之間，粒子的速度變化小并且在出口處趨于穩(wěn)定。隨著噴射壓力的增加，噴嘴內(nèi)的粒子速度有輕微變化，噴嘴外的粒子速度有少量的增大。因此說明壓力對粒子速度影響不大。
圖5 壓力對粒子速度的影響 圖6 溫度對粒子速度的影響
溫度對粒子速度的影響
圖6所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時溫度對粒子速度的影響。從圖中明顯看出溫度對粒子速度的影響是很大的，溫度越高，粒子速度越高。此外，大量的塑性變形容易發(fā)生在入射粒子和高溫的基體之間。
結(jié)論
（1）在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管比單孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度更高，且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度越高。
（2）在相同條件下，九孔拉瓦爾噴管中的較小粒子也可以獲得較高的粒子速度。
（3）在較高的噴射壓力和溫度下，使用九孔拉瓦爾噴管可以使粒子噴射獲得更高的速度。
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