[發明專利]基于EDM-DPM的AC-HVAF熱噴涂燃燒焰流特性數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110314670.0
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113515899A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 李昌;高興;韓興;許彥;高鶴芯
• 申請（專利權）人: 遼寧科技大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所(普通合伙) 21224
• 代理人: 張群

本發明公開了基于EDM?DPM的AC?HVAF熱噴涂燃燒焰流特性數值模擬方法，按照下述步驟進行，首先利用前處理軟件對噴槍及空氣域建立幾何模型，對其劃分網格以建立計算區域，其次對計算域進行整體求解設置，將粒子相模型與氣相模型耦合來求解粒子飛行行為，再其次設置材料屬性、邊界條件，然后設置求解方法、監控變量、收斂標準及松弛因子，并利用Fluent軟件對計算區域離散化控制方程展開迭代計算，直至收斂計算結束，最后利用后處理軟件提取計算結果。本發明基于計算流體動力學方法建立了噴涂過程理論模型，可重復更改噴涂工藝參數，定量化揭示其對噴涂的影響，進一步找出潛在的動量和傳熱機制，優化和升級熱噴涂系統。

技術領域

本發明涉及熱噴涂技術領域，特別涉及AK07噴槍活性燃燒高速空氣燃料(AC-HVAF)熱噴涂領域的一種數值模擬方法，即一種預測和分析AK07熱噴涂過程中氣相焰流特性、燃燒氣體組分濃度及粒子飛行行為的數值方法。

背景技術

隨著現代工業的發展，機械設備的工況越來越復雜，常處于高溫、磨損、腐蝕以及鹽霧介質等極端工況環境服役，這對機械零件的表面加工質量提出了巨大挑戰。防護涂層是保護機械零件最常用的方法之一，以延長其服役壽命并可靠持續工作。活性燃燒高速空氣燃料(AC-HVAF)熱噴涂技術是沉積合金鋼粉末、金屬陶瓷粉末的重要方法。它可制作耐磨、抗氧化、防腐蝕等功能涂層，可用于鋼鐵冶金、航空航天、石油化工、新能源等行業關鍵零部件的局部表面強化、修復、預保護，以延長使用壽命。AK07噴槍使用壓縮空氣作為噴槍冷卻載體和助燃氣體，不僅大大降低了工藝成本，而且還減小了粒子被氧化的風險。與傳統HVOF熱噴涂技術相比，AC-HVAF熱噴涂具有粒子沖擊速度大、極低氧化物含量和極高致密度涂層等特點。除涂層質量優異外，其噴涂速率是傳統HVOF噴涂的5～10倍，沉積效率相對較高。

AC-HVAF熱噴涂過程十分復雜，涉及燃燒反應與傳熱，亞音速/超音速轉變，湍流混合和多相流相互作用。然而，工藝參數對粒子特性和涂層質量有非線性的影響，終端實驗研究無法揭示噴涂瞬態演變規律。實驗試錯法，費時、費力，浪費成本且應用范圍有限，很難揭示AC-HVAF熱噴涂中氣相動力學瞬變規律、粒子飛行行為。目前，計算流體動力學(CFD)數值方法已成為熱噴涂建模的有效工具，既可降低昂貴的試驗成本，還可定量化揭示噴涂過程中焰流與粒子之間的動量傳輸機制與傳熱機理，為制定優化噴涂工藝和提高涂層質量奠定理論基礎。

目前，基于計算流體動力學CFD方法對HVOF熱噴涂系統進行了一定量的研究，包括Diamondjet，JP5000和溫噴涂系統。但針對AK07噴槍的數值模擬研究微乎其微，由于噴槍結構不同、助燃劑不同，則燃燒反應之間存在明顯差異，因此，基于AK07噴槍對AC-HVAF熱噴涂過程影響因素進行定量化分析具有重要意義。以往研究均采用氣相與粒子相解耦方法計算，雖然這樣可以減小計算成本，但對預測粒子飛行行為造成一定的誤差。通過將耦合方法和解耦方法對比分析，發現耦合方法的粒子運動更加符合真實工況下熱噴涂行為。因此對于WC-12Co粉末粒子飛行行為的預測必須采用氣固耦合方法。

發明內容

為了解決背景技術提出的技術問題，本發明提供一種基于EDM-DPM的AC-HVAF熱噴涂燃燒焰流特性數值模擬方法，填補現有數值模擬技術上的空白與不足，目的在于使用氣固耦合方法來預測粒子在流場中的飛行行為，使計算結果更加符合真實工況，更加準確。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

基于EDM-DPM的AC-HVAF熱噴涂燃燒焰流特性數值模擬方法，包括如下步驟：

(1)利用前處理軟件Design Modeler，根據AK07噴槍內部幾何尺寸及自由射流域尺寸建立參數化幾何模型。

(2)以步驟(1)的建立的幾何模型為對象，利用前處理軟件Meshing對其采用四邊形單元劃分網格以建立計算區域，對幾何邊界進行命名以便于設置邊界條件參數。