[發明專利]基于CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法

有效

• 申請號: 202010964523.3
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112199902B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 劉楊;王悅;許文勇;李周;袁華;張國慶
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/17;G06F111/10
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明屬于霧化制粉數值模擬技術領域，涉及一種基于CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法，首先進行幾何建模、網格劃分、邊界條件獲取，然后采用穩態單相氣流場和瞬態氣固兩相流場耦合迭代計算，利用后處理軟件對模擬結果進行處理，識別原始衛星粉末形成區域，分析優化結構的衛星粉末抑制效果，最終達到抑制衛星粉末形成的目的。發明在瞬態和穩態計算結合的基礎上，充分考慮了實際爐體結構和霧化氣體的可壓縮性，同時對邊界條件進行了詳細的實驗測量和計算，從而可快速和準確地識別出氣霧化制粉過程中原始衛星粉末顆粒形成區域，以及分析優化結構的衛星粉末抑制效果，相比現有的試驗優化方法，本發明能顯著縮短周期并降低成本。

技術領域

本發明屬于霧化制粉數值模擬技術領域，尤其針對金屬3D打印常用的合金粉末氣霧化制備領域，涉及氣霧化制粉工藝中衛星粉末的形成和抑制的CFD模擬計算方法，具體為一種基于CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法。

背景技術

氣霧化制粉技術是目前金屬3D打印用合金粉末材料產業化規模最大的制備方法，廣泛應用于航空航天、醫療、汽車等領域。金屬3D打印工藝要求粉末具有良好的球形度、流動性以及均勻性(如圖1)，從而滿足在打印過程中合金粉末穩定輸運和平穩鋪展的要求。但是氣霧化制粉工藝制備的合金粉末中衛星粉末(如圖2)占比較高，會惡化粉末的球形度、流動性以及均勻性，不利于3D打印工藝的穩定性，如何降低衛星粉末含量是目前氣霧化制粉行業面臨的一大難題。根據已經開展的研究結果，衛星粉末是由于氣霧化制粉爐內存在大范圍渦流，促使已經凝固的細微粉末顆粒回流至霧化制粉爐上方區域，與剛霧化產生的合金液滴發生碰撞，凝固焊合后所形成。由于實際使用的霧化制粉爐存在結構差異，準確的衛星粉末形成區域無法有效確定，因此針對抑制衛星粉末形成的優化設計缺乏指導，與此同時優化結構的衛星粉末抑制效果也難以分析，基于此，本發明提出了一種利用CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法。

發明內容

本發明的目的是：設計一種利用CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法。

為解決此技術問題，本發明的技術方案是：

一種基于CFD技術的氣霧化衛星粉末形成和抑制的模擬分析方法，所述模擬分析方法采用CFD方法來模擬氣霧化制粉爐中衛星粉末形成過程，識別原始衛星粉末形成區域，分析優化結構的衛星粉末抑制效果，包括以下步驟：

步驟一、構建實際霧化制粉爐流場模型，進行網格劃分；

步驟二、構建數學計算模型；

步驟三、根據實際工況條件設置邊界條件；其中，顆粒釋放平面位置(particlerelease surface)通過實際霧化制粉過程中的霧化圖像分析顆粒生成部位確定；

步驟四、設置穩態單相氣流場迭代計算；

步驟五、設置瞬態氣固兩相流場耦合迭代計算；

步驟六、利用后處理軟件分析粉末顆粒分布規律，識別原始衛星粉末形成區域，識別準則為：在固相線溫度以上，細微粉末回流才會形成衛星粉末；

步驟七、進行制粉爐結構優化設計，增加細微粉末回流抑制機構，后重復步驟一至六，反復迭代直至原始衛星粉末形成區域的細微粉末顆粒回流現象被抑制。

所述步驟一具體過程為：

(1)測量實際霧化爐內壁、霧化器腔體、導流管外壁面、霧化氣流入口以及爐體出口位置和尺寸，利用CAD軟件構建二維幾何模型，對霧化制粉爐結構進行簡化處理，并對氣流入口和出口進行等面積轉換，保證模擬與實際制粉爐流量的一致性。

(2)繪制的二維幾何模型導入CFD前處理軟件中進行網格劃分，采用結構化四邊形網格模式劃分，對霧化器和導流管位置進行網格加密，對不可移動的壁面添加邊界層網格。

所述不可移動的壁面為霧化爐內壁、導流管外壁以及霧化器腔體內壁。