同轴送粉喷嘴三路气流对粉末汇聚特性的影响_付伟

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同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究

同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究同轴载气送粉激光熔覆技术是一种先进的制备方法，具有高效率、高质量、高可控性等优点，因此在加工领域得到了广泛的应用。

在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，粉末流参数的选择对于熔覆质量的影响非常大。

本文将针对同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数进行研究，从以下几个方面进行分析。

一、粉末流速度粉末流速度是影响熔覆质量的重要参数之一。

当粉末流速度过大时，会导致熔滴的飞溅和熔覆质量下降；当粉末流速度过小时，会导致熔池面积减小、熔覆质量下降。

因此，应根据熔覆材料的性质和设备的能力，选择合适的粉末流速度。

二、载气流量载气流量是指粉末颗粒在流动过程中所受到的空气流动的力量大小。

合适的载气流量可以保证熔覆粉末流形成正常，同时也可以将存在于熔合池中的杂质、气泡等物质排出，保证熔覆质量的提高。

过大或过小的载气流量都会影响熔覆质量，应选取合适的值。

三、喷嘴与底板的距离喷嘴和底板的距离也是影响熔覆质量的重要参数之一。

当喷嘴和底板的距离过大时，粉末流速度将变低，影响熔覆质量；当喷嘴和底板的距离过小时，容易导致熔滴飞溅，同样影响熔覆质量。

因此，喷嘴和底板的距离应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，进行合理的选择。

四、粉末流角度和喷嘴半径粉末流角度和喷嘴半径也会影响熔覆质量。

当粉末流角度过大或喷嘴半径过小时，会导致粉末流速度过大，熔滴飞溅，熔覆质量下降；当粉末流角度过小或喷嘴半径过大时，会导致粉末流速度过小，熔覆层减薄，熔覆质量下降。

因此，粉末流角度和喷嘴半径也应进行合理的选择。

通过以上分析，我们可以得出同轴载气送粉激光熔覆的粉末流参数的研究，是保证熔覆质量和生产效率的必要措施。

因此，在使用该技术进行熔覆粉末流成形时，应根据熔覆材料的性质、熔覆质量要求和设备的能力，选择合适的粉末流速度、载气流量、喷嘴和底板的距离、粉末流角度和喷嘴半径。

方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴结构优化及工艺研究

方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴结构优化及工艺研究方形光斑激光增材制造技术是一种利用激光束将粉末熔融成熔池，逐层堆积形成零件的先进制造技术。

在方形光斑激光增材制造过程中，送粉喷嘴的结构优化和工艺研究对于提高制造质量和效率至关重要。

首先，对于送粉喷嘴的结构优化，需要考虑以下几个因素：1. 喷嘴形状：传统的圆形喷嘴存在粉末堵塞和剧烈粉尘飞扬的问题。

通过优化喷嘴形状，如改变喷嘴截面形状为方形，可以有效减少粉尘产生和堵塞现象。

2. 喷孔布置：合理的喷孔布置可以保证粉末均匀喷到光斑区域，避免出现过多或过少的喷粉现象。

同时，喷孔的尺寸和形状也需要进行优化，以保证粉末喷出的径向气流能够均匀地覆盖整个光斑区域。

3. 材料选择：喷嘴的材料应具有良好的耐热性和耐磨性，以适应高温和高速的喷粉环境。

常见的材料选择包括不锈钢、陶瓷等。

其次，工艺研究是为了优化方形光斑激光增材制造的操作参数，提高制造效率和质量。

1. 光斑尺寸和功率：光斑的尺寸和功率直接影响到熔池的形成和稳定性。

通过调整激光参数，如功率和焦距，可以控制光斑的尺寸和能量密度，从而实现精细的熔池控制。

2. 加热策略：熔池的加热策略会影响到零件的成形速度和质量。

选择合适的加热策略，如预热、快速加热和复合加热等，可以实现零件的快速成形和减少热应力。

3. 粉末喷射速度和气流压力：粉末喷射速度和气流压力的控制对于粉末的均匀喷射和溅射现象的抑制至关重要。

通过优化送粉喷嘴的结构和调整气流参数，可以实现精确的喷粉控制。

综上所述，方形光斑激光增材制造同轴送粉喷嘴的结构优化和工艺研究是提高制造质量和效率的关键。

通过优化喷嘴结构和调整工艺参数，可以实现精细的熔池控制和粉末喷射控制，从而提高制造质量和效率。

激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟

A bs t r act The t hree2dime nsional incomp ressible Navie r2Stokes application mode of COMSOL Multip hysics sof tware is used for modeling and simulati ng t he coaxial p owde r feeding flow wit h car ryi ng gas in t his article . The dis t ributing of velocit y field and p ress ure of flow is s t udied. Numerical simulations s how t he cladding layer res ults in t he decrease of velocit y and flow of gas , and t he i ncrease of p ress ure . The dis tance betwee n t he p owde r head and t he conve rge nt p oint of gas is calculated. Key w o r ds lase r technique ; coaxial p owde r feeding ; t hree dime nsional flow ; numerical simulation ; Navie r2Stokes equation ; nozzle
4 数值模拟
载气式同轴送粉系统中 ,金属粉末通过 4 个进气口由载气送入到送粉头中 ,并最终喷出至熔池。采用 COMSOL Multip hysics 软件的 Navier2Sto kes 3D 模型对送粉头的 3D 流场进行模拟。

同轴送粉喷嘴保护气体流场研究

表明：嘴中心、喷内环和外环气流流速由内向外递减时可获得稳定的流场；嘴中心、喷内环、环喷出的气流速度外接近一致时，场比较稳定；嘴中心气流速度小于内环和外环的气流速度时，件表面出现漩涡，坏了流场流喷工破
（Ｖ）ａｄＦｌｅｔｓｆｗａｅｘｅｉｎａｎｕｒｃｌｓｍｕａｉｎｒｓｌｓｏｏｘａｅｓａｄｃａｉｌＰＩｎｕｎｏｔｒ．Ｅｐｒｍｅｔｌａｄｎｍｅｉａｉｌｔｅｕｔｆｃａｉｌｊｔｎｏｘａｏ
ｔｆｆｏｗｉｌｓａｌｅｙｔｍｉａｌＴｈｅｒｓｌｓｓｗｈｔｇａｌｗｉｌｅｄｓｔｒｔｂｅｙｏｌｆｅｄｉｎａｙｚｄｓｓｅｃｌｙ．ｅｕｔｈｏｔａｓｆｏｆｅｄｔｎｏｂｅｍｏｅｓａｌ
ｉｉｇｎｅｓｏｏｚｅｇｓｆｏａｅｃｍｐｒｄｍｐｎｉｇｊｔｆｚｌａｌｗｒｏａｅ．Ｔｈｎｌｅｃｆｃａｇｆｎｚｌａｅｏｉｙｏｔｂｌｎｅｉｆｕｎｅｏｈｎｅｏｏｚｅｇｓｖｌｃｔｎｓａｉ — ｉ
摘要：解决飞机结构损伤激光在线修复过程中同轴送粉喷嘴气体保护效果不佳的问题，用粒子图像测速为利（ａｔｌｉｇｅｏｉｔｙＰＶ）Ｆｕｎ软件对喷嘴保护气体流场进行了研究。将喷嘴气流的同轴射流和同Ｐｒｉｅｍａｅｖｌｃｍｅｒ，Ｉ和ｌｅｔｃ轴冲击射流的数值计算结果和实验测量结果进行了比较，析了喷嘴气流速度变化对流场稳定性的影响。结果分

三通道气力式喷嘴加压环境雾化特性试验研究

收稿日期:2009-12-18基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(973项目)资助(2010CB227001)作者简介:李波(1985-),男,山东滨州人,硕士研究生,主要从事喷嘴雾化和污染物控制研究工作。

三通道气力式喷嘴加压环境雾化特性试验研究李波,黄镇宇,杜聪,刘建忠,周俊虎,岑可法(浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027)摘要:对三通道气力式喷嘴进行了雾化室加压环境下的雾化试验研究,分析了雾化室环境压力与其他喷嘴运行参数对喷嘴雾化性能的影响。

研究发现,雾化室环境压力的提高有利于气液两相的相互作用,可以有效降低雾化粒度平均直径,且当气耗率不变时,雾化粒径S M D 与雾化室环境压力呈负指数的幂函数关系。

关键词:三通道喷嘴;气力式;雾化;环境压力;气耗率中图分类号:TK 223.25 文献标识码:A 文章编号:1004-3950(2010)02-0015-05Experi m ental study on ato m ization perfor m ance of airblastthree channel nozzle under high a mbient pressureLI Bo,H UAN G Zhen yu ,DU Cong ,et al(State K ey L aboratory o f C l ean Ene rgy U tilization ,Zhe jiang Un i v ers it y ,H ang zhou 310027,Ch i na)Ab stract :T he ato m izati on property o f a irb l ast three channel nozzl e under h i gh a mb ient pressure w as i nv esti g ated .Itwas found tha t conti nuous i ncrease i n a ir pressure caused the decrease o f the m ean drop size t o a m i ni m u m va l ue and then var i ed not too much .A n explanati on f o r this charac teristics w as prov i ded in ter m s o f the various contri buti ng fac to rs in different process o f a t om i zati on .The results s howed that S MD was proportional to P n at a constant air /li qu i d ratio .K ey w ords :three channe l nozzl e ;a irblast ;a t om i zati on ;amb i ent pressure ;a i r /li qui d ra tio0 引言液体燃料的雾化在锅炉燃烧[1]、烟气脱硫[2-3]及煤气化[4-5]等领域应用广泛,其中喷嘴是雾化技术的关键。

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况

激光熔覆同轴送粉喷嘴的研究状况薛菲;王耀民;刘双宇【摘要】Powder feeding nozzle is used as one of the key components in the powder feeding system which has direct influ-ences on the effect of the laser cladding. With the development of the laser cladding technology, powder feeding nozzle is stud-ied both at home and abroad, so a variety of new powder nozzles are developed to effectively improve the effect of the cladding and powder utilization ratio and reduce the waste. This paper briefly summarizes the domestic and foreign coaxial powder noz-zle progress and powder feeding principle, analyses the existing coaxial powder feeding nozzle status quo, points out the short-comings of the existing powder feed nozzle and proposes that strengthening the powder feed nozzle design is one of the key is-sues of accelerating the laser cladding development, and then the predicts the future development of the coaxial powder feed-ing nozzle.%送粉喷嘴作为送粉系统的关键部件之一，直接影响着激光熔覆的效果。

三通道气力式喷嘴的雾化特性研究

第４３卷第５期２０１２年９月　锅　炉　技　术ＢＯＩＬＥＲ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４３，Ｎｏ．５Ｓｅｐ．，２０１２收稿日期：２０１１－０９－１５作者简介：康振兴（１９８４－），男，硕士研究生，工程师，主要从事发电厂电力设计工作。

三通道气力式喷嘴的雾化特性研究康振兴１，黄镇宇２，刘小娜１，周俊虎２，岑可法２（１．国核电力工程设计研究院，北京１０００９４；　２．浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江杭州３１００２７）摘　要：　对于高Ｗｅｂ数的三通道气力式喷嘴，液膜射出后，自身的表面张力波动来不及发展，就被内外气体冲击破碎，这时喷嘴的运行工况和结构尺寸对喷嘴雾化的有很大的影响。

考虑了喷嘴出口处各个结构参数和气量分配比对三通道气力式喷嘴雾化的作用，并探讨了其内在原因。

关键词：　三通道；结构尺寸；气量分配比；雾化中图分类号：ＴＫ２２３文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－４７６３（２０１２）０５－００１４－０４０　前　言雾化是指通过一定的方式将连续流动的液体破碎、分裂，最终形成具有一定尺寸分布的不连续雾状液滴。

在工农业生产及航空、军事等领域，雾化得到广泛的应用，包括［１］：液体燃料在锅炉、内燃机及火箭推进器的燃烧，雾化生产金属粉末，除尘、脱硫脱硝过程等。

雾化方式根据实际需要而不同，通常有机械雾化、气力雾化及其它雾化（如超声波、电磁场等雾化）。

气力式雾化一般用来雾化高粘度燃料（如水煤浆、重油等）。

浙江大学的撞击式水煤浆喷嘴就是典型的气力式雾化喷嘴，已经成功运用于国内多家电厂水煤浆锅炉，其大型化也得到满意效果（如在南海发电Ａ厂６７０ｔ／ｈ水煤浆锅炉中）。

而水煤浆气化通常采用的三通道喷嘴，也是一种气力式雾化喷嘴。

与机械雾化相比，气力式雾化具有输液压力低和雾化粒度小等优点［２］。

关于三通道气力式雾化液膜射流在高速气体中的破碎和雾化的机理，许多学者做了研究［３］，认为环状液膜射流雾化的动力在于液体表面波的不稳定性，随着不对称表面波的增长，液膜逐渐破碎、雾化。

气流进入角度对干粉吸入器药物解聚效果的影响,付廷明、李凤生、朱华旭、郭立玮、刘永,南京理工大学、南

２１具有载体截留功能的非切向进气吸入器．．２
非切向进气吸入器的结构及原理与图１示的所
装置相似，但气流进入分离腔的角度不是切向，而是与直径方向成４。０的锐角。
硫酸沙丁胺醇（）雾剂（海华氏制药有限公司天１粉上平制药厂，规格０４）对照品（国药品生物制品检定．ｍｇ，１中所，批号１０２．０５２０３８２００，含量大于９％）８。
术被广泛采用＇。目前市场上的旋风式干粉吸入引器的气流均为切向进入，未考虑进气角度对干粉吸入器解聚效果的影响。本研究设计了不同进气角度的干粉吸入器，验证了其分散效果，并与市售干粉
吸入器作了比较。１仪器与试药
摘要：以硫酸沙丁胺醇粉雾剂为模型药物，通过体外试验比较３不同类型干粉吸入器的分散效果。结果表明，具有载种体截留功能的切向进气和非切向进气吸入器及无载体截留功能的切向进气吸入器在一级瓶和二级瓶的药物沉积率分别为
ｗｉｏｔｃｒｉｒｒｔｎｉｎｆｎｃｉｎｉｈｒｔａｄｓｃｎｄｇａｓｉｎｒｗｅｅ８１％，１５％，９．ｔｕａｅｅｅｔｕｔｏｎｔｅｆｓｎｅｏｌｓｍｐｉｇｅｒ．ｈｏｉ０．４０％ａｄ３１５％，４．％，ｎ．３１

同轴送粉喷嘴粉末汇聚特性三维数值模拟

型模拟了工艺参数对粉末汇聚浓度分布的影响。结果表明：自由射流时，末汇聚浓度随着送粉量在粉的增加而增大．着载气速度的增大而明显降低．护气速度的增大对粉末汇聚浓度影响不明显。在随保受阻射流时．随着送粉量增加粉末汇聚浓度显著增大，粉末汇聚点位置相比自由射流时出现少量上且移，着载气速度增大熔覆点处的粉末浓度显著下降，护气速度的增加对熔覆点处粉末浓度影响较随保
中图分类号：Ｔ４ＴＨ１Ｎ２９；６文献标志码：Ａ文章编号：１０ — ２６２Ｕ）５０５ — ５０７２７（００ — ８９０
３ｎＤｕｍｅｉａｉｕａｉｎｏｏｘａｗｄｒｆｅｎｚｌｒｃｌｓｍｌｔｏｆｃａｉｌｐｏｅｅｄｉｇｎｏｚｅｐｗｄｒｃｎｅｇｎｅｃａａｔｒｓｉｓｏｅｏｖｒｅｃｈｒｃｅｉｔｃ
Ａｂｓｒｃ：Ｉｔｅａｅｍｅａｄｒｃｍａｕａｔｒｎｔａｔｎｈｌｓｒｔｌｉｅｔｎｆｃｕｉｇ，ｇｓ—ｏｉｔｏ — ｈｓｆｏａｓｌｄｗｐａｅｌｗｔｅｒｉｃｎｉｅｅｔｈｏｙｓｏｓｄｒｄｏ
第４０卷第５期
Ｖｏ．０１４ＮＯ．５
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｇｎｅｉｇｎｒｒｄａｄＬａｅｎｉｅｒｎ

同轴式激光送粉喷嘴[实用新型专利]

专利名称：同轴式激光送粉喷嘴专利类型：实用新型专利
发明人：赵江,赵显钧,王斌
申请号：CN201220295092.7申请日：20120621
公开号：CN202626292U
公开日：
20121226
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及激光加工技术领域，是一种同轴式激光送粉喷嘴。

其包括连接筒、粉末筒和保护气筒；在连接筒的上部外侧有刻度，在连接筒的中部外侧固定有连接筒第一台阶，粉末筒的上部内侧和连接筒第一台阶通过螺纹固定安装在一起，粉末筒、连接筒第一台阶和连接筒之间形成粉末腔，在粉末筒的上部沿圆周有至少一个与粉末腔相通的粉末孔。

本实用新型结构合理而紧凑，使用方便，通过连接筒、粉末筒和保护气筒与圆内锥体、圆中间锥体和圆外锥体的配合使用；连接筒、粉末筒和保护气筒与方内锥体、方中间锥体和方外锥体的配合使用；实现圆形激光光斑和方形激光光斑熔覆的目的，具有操作简单和应用广的特点，提高了设备通用性和生产效率。

申请人：克拉玛依市金牛工程建设有限责任公司
地址：834008 新疆维吾尔自治区克拉玛依市白碱滩区跃南路14号
国籍：CN
代理机构：乌鲁木齐合纵专利商标事务所
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同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律

第33卷第2期中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程Vol.33No.22020年4月CHINA SURFACE ENGINEERINGApril 2020收稿日期:2019-10-24;㊀修回日期:2020-02-01通信作者:李强(1986 ),男(汉),讲师,博士;研究方向:难加工材料增减材实验及机理研究;E-mail :neuliqiang@基金项目:辽宁省自然科学基金(20180550167);辽宁省教育厅重点攻关项目(LJ2019ZL005,LJ2017ZL001);辽宁省高水平创新团队国(境)外培养项目(2018LNGXGJWPY-ZD001)Fund :Supported by Natural Science Foundation of Liaoning Province (20180550167),Key Projects of Education Department of Liaoning Prov-ince (LJ2019ZL005,LJ2017ZL001)and Oversea Training Project of High Level Innovation Team of Liaoning Province(2018LNGXGJWPY-ZD001).引用格式:郭辰光,郭昊,李强,等.同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律[J].中国表面工程,2020,33(2):136-148.GUO C G,GUO H,LI Q,et al.Effects law of coaxial powder feeding process parameters on flow field of laser additive remanufactur-ing nozzle[J].China Surface Engineering,2020,33(2):136-148.doi:10.11933/j.issn.10079289.20191024001同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律郭辰光1,2,郭㊀昊1,2,李㊀强1,岳海涛1,王㊀闯1(1.辽宁工程技术大学机械工程学院,阜新123000;2.辽宁工程技术大学辽宁省大型工矿装备重点实验室,阜新123000)摘㊀要:激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流汇聚特性是影响零件成形质量和成形效率的重要因素,基于DEM-CFD 耦合方法,开展三维同轴送粉喷嘴粉-气流场仿真分析,依据表征粉流汇聚特性的喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度和单位距离粉流分布浓度等参数,设计单因素试验,在喷嘴结构不变的条件下,分析输粉气流速度㊁送粉速率和中心光路保护气速度对粉流分布的影响规律㊂结果表明:输粉气流速度越大,焦点距离越小,轴向粉流分布浓度越小,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度越大,粉流的集聚性越好;中心光路保护气速度对粉流焦点浓度影响较小,保护气速度越大,焦点距离越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越小,单位距离粉流分布浓度增加,粉流的集聚性越好;送粉速率对焦点距离影响较小,送粉速率越大,喷嘴轴向粉流分布浓度越大,上焦点截面粉流浓度分布直径越大,单位距离粉流分布浓度出现先增大后减小的趋势㊂关键词:激光增材再制造;同轴送粉喷嘴;离散单元法-计算流体力学(DEM-CFD);粉流分布中图分类号:TN249文献标志码:A文章编号:1007-9289(2020)02-0136-13Effects Law of Coaxial Powder Feeding Process Parameters on Flow Field of LaserAdditive Remanufacturing NozzleGUO Chenguang 1,2,GUO Hao 1,2,LI Qiang 1,YUE Haitao 1,WANG Chuang 1(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Liaoning Provincial Key Labo-ratory of Large-scale Industrial and Mining Equipment,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)Abstract :Powder flow convergence of coaxial powder feeding nozzle was an important factor that affects the forming qualityand efficiency in laser additive remanufacturing.The powder-gas flow field simulation analysis of coaxial powder feeding nozzle was carried out based on DEM-CFD coupling method.According to the parameters such as nozzle center axial powder flow dis-tribution concentration,focal distance,powder flow concentration distribution at upper focal section and concentration of pow-der flow per unit distance,a single-factor experiment was designed to analyze the influence of carrier gas flow,powder feedingrate and shielding gas velocity on the powder flow distribution under the nozzle structure remained unchanged.Results showthat,with the increased of the carrier gas flow,the focal distance,nozzle center axial powder flow distribution concentrationand diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section decreases gradually,concentration of powder flow㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律per unit distance increases,the powder flow convergence become excellent.The shielding gas velocity has few influence on the focal concentration.The higher the shielding gas velocity is,the smaller the diameter of powder flow concentration distribution at upper focal section is,while the focal distance,concentration of powder flow per unit distance and the powder flow conver-gence become larger and better.The effect of powder feeding rate on the focal distance is not significant,with the increased of powder feeding rate,the nozzle center axial powder flow distribution concentration and the diameter of powder flow concentra-tion distribution at upper focal section also increase,concentration of the powder flow per unit distance increases first and then decreases.Keywords:laser additive remanufacturing;coaxial powder feeding nozzle;Discrete element method-computational fluid dy-namics(DEM-CFD);powder flow distribution0㊀引㊀言激光增材再制造技术是近年来兴起的一种表面修复技术,采用该技术对缺损的零件进行再制造修复,能够极大地降低生产成本[1-2]㊂同轴送粉法是同步送粉式激光熔覆最为先进和应用最多的一种送粉方式,此种送粉方式能够满足各向同性的要求[3-5],并能在加工过程中形成方向不受限制的均匀熔覆层,适用于增材修复[6]㊂同轴送粉喷嘴引导粉流均匀送入激光强作用区域并与基体同时熔化形成熔覆层,其工作性能直接影响毛坯再制造后的成形质量[7-8]㊂现阶段增材再制造的主要缺陷之一在于粉末输送稳定性差㊁粉末使用率低,因此研究同轴送粉喷嘴粉流流场对优化同轴送粉喷嘴结构㊁改善零部件再制造后的成形质量具有重要的指导意义[9-11]㊂目前,国内外学者的大量研究与试验发现气固两相流理论对粉末输运流场的研究具有较高的准确性和可靠性㊂Pan等[12]研究了重力驱动送粉模式的粉流与粉末特性㊁喷嘴形状和保护气设置对粉流流场的影响,建立三维喷嘴数值模型来预测粉流浓度变化;Kovaleva等[13]开发出用于不同同轴喷嘴的气粉输送三维物理和数学模型,通过数值模拟获得了基体上的粉流质量和定量流动特性;Zhang等[14]使用CFD理论建立了同轴送粉三维数值模型,研究环境压力和喷嘴尺寸对激光熔覆粉末颗粒速度和分布的影响;Tan等[15]使用粒子成像系统拍出的粉流图像分析送粉工艺参数和喷嘴距基体表面距离对粉流流场的影响;Zhu等[16]应用FLUENT2-D离散相模型计算同轴送粉粉流场分布情况;靳晓曙等[17]建立了粉流简化物理模型并采用欧拉双流体方法对同轴送粉粉流流场进行数值分析㊂上述对同轴送粉喷嘴粉-气流场研究的分析计算模型主要为DPM模型和Euler双流体模型,依照上述方法虽能通过计算得到粉流场大致变化规律㊁但此类方法忽略颗粒自身物性及碰撞问题,并不能准确描述粉流在实际情况下的空间分布㊂离散单元法将不连续体分散为刚性元素的集合,分散后的每一个单元都作为独立的个体计算它的运动方程,颗粒系统的模拟需要对颗粒位移增量与接触力增量进行循环计算[18]㊂研究采用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉气固两相流流场分布及颗粒运动情况的数值方法,并应用Navier-Stokes方程计算气相流动信息,通过DEM接触模型计算粉体颗粒的运动㊁碰撞㊁受力等信息[19]㊂以喷嘴中心轴向粉流浓度分布㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流浓度分布㊁单位距离粉流分布浓度等参数作为衡量指标,探究输粉气流速度㊁中心光路保护气速度㊁送粉速率对粉流分布的影响,结合EDEM-FLUENT 软件进行模拟仿真,以输粉气流速度为4m/s㊁中心光路保护气速度为1.5m/s㊁送粉速率20g/min作为基础参数,设计单因素试验㊂通过数值模拟,可以清晰直观地观察气-粉两相的流场分布以及颗粒在喷嘴内部的运动情况,实现了粉流流场的可视化,提高了对同轴送粉过程模拟的准确性,对同轴送粉粉流输运流场的研究具有重要的指导意义㊂1㊀气粉流场理论模型1.1㊀颗粒受力模型当颗粒在气相中运动时,颗粒边界层存在法向速度梯度,当气体流经颗粒表面并与颗粒产生相对运动时,会形成压差阻力,因此颗粒在气流731中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年中运动时的运动阻力主要由黏性摩擦阻力和涡流压差阻力两部分组成,运动阻力方程如式(1)所示:F R=18πCρd2p v2p(1)㊀㊀式中:C是绕流阻力系数;ρ是流体密度,kg/m3;d p是球状颗粒直径,m;v p是颗粒的速度,m/s㊂除此之外,颗粒在流体中以一定速度运动时,沿颗粒边界层法向的速度梯度会发生剪切效应,出现颗粒表面的压力差并形成了如式(2)所示Saffman升力;气流中颗粒与颗粒之间㊁颗粒与壁面之间发生碰撞后会产生如式(3)所示Mag-nus螺旋升力[14]:F Saff=1.61d2p(ρμ)12ωf-12(v p-v f)ωf(2)㊀㊀式中:v f是流体的速度,m/s;μ是流体动力黏度,N㊃s/m2;ωf是沿颗粒边界层法向的速度梯度,ωf=∇㊃v f㊂F Mag=14πd3pρ(v p-v f)ωf[1+O(R e)](3)式中:O(R e)表示未明确写出的级数余数㊂金属粉末颗粒粒径范围为50~500μm,属于介观尺度范围,材料密度大,属于低速气固两相流动,因此只考虑碰撞接触力㊁重力㊁曳力等对颗粒的作用,其他力暂不考虑㊂此外,粉末存在不规则表面形态,颗粒基本为不同直径大小的球形颗粒,以球当量径来描述颗粒直径,采用平均体积粒径方法统计粒度分布情况㊂可求得平均体积粒径d aV㊂d aV=3ðnd3pðn(4)1.2㊀颗粒接触模型离散单元法把分析对象看成充分多的离散单元,根据全过程中的每一时刻各颗粒间的相互作用计算接触力,再用牛顿运动定律计算单元的运动参数,实现颗粒对象运动情况的预测㊂根据处理问题的不同,颗粒模型可分为硬球模型和软球模型两类,硬球模型颗粒之间的碰撞是瞬时的且不会发生显著的塑性变形,在计算时只需考虑颗粒的同时碰撞㊂软球模型把颗粒间的法向力简化为弹簧k n和阻尼器βn,切向力简化为弹簧k b㊁阻尼器βb和滑动器μ,依据颗粒间法相重叠量和切向位移计算接触力,颗粒接触力简化模型如图1(a)所示㊂由于同轴送粉喷嘴喷粉时,粉体颗粒之间会产生相互碰撞,且能够发生弹塑性变形,产生小尺度重叠量,因此采用软球模型㊂如图1(b)所示,当颗粒i 与颗粒j在相互接触时,存在一法向的重叠量α,其中v为粒子速度㊁F n为颗粒法向力㊁F t为颗粒切向力㊁ω为颗粒角速度㊁g为重力加速度㊂对于颗粒接触模型,应用EDEM中的Hertz-Mindlin无滑动接触模型来描述颗粒间的力作用关系㊂图1㊀软球模型颗粒间接触受力模型Fig.1㊀Simplified model of contact forces between particles假设粉体颗粒输运的过程,颗粒间的碰撞均为弹性碰撞,不考虑颗粒之间的其他作用因素㊂两个球状颗粒在空间发生接触碰撞,半径分别为R1,R2,则两颗粒间的法向接触力F n计算公式为:F n=43Eᶄ(Rᶄ)12ε32(5)㊀㊀式中:Eᶄ为等效弹性模量,MPa;Rᶄ为等效颗粒半径,m;εn为碰撞时法向重叠量,m㊂据下述公式求出㊂831㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律1Rᶄ=R 1+R 2R 1R 2(6)1Eᶄ=1-21E 1+1-22E 2(7)ε=R 1+R 2-r 1-r 2(8)㊀㊀式中:n为颗粒泊松比;E n 为弹性模量,MPa;r n 为球心位置矢量㊂两颗粒间的切向接触力F t 计算公式为:F t =-S t εt(9)㊀㊀式中:εt 是颗粒碰撞时切向重叠量,m;S t 是切向接触刚度,N /m;可根据下式求出:S t =8GᶄRᶄε(10)㊀㊀式中:Gᶄ是等效剪切模量,MPa㊂1Gᶄ=2-21G 1+2-22G 2(11)1.3㊀气相控制方程激光熔覆同轴送粉过程中,在常规送粉工艺参数下,输粉气流㊁保护气均体现为温度恒定㊁不可压缩㊁稳定的湍流流动,粉流输运期间不考虑激光发出的热量及气流㊁颗粒之间的热传递,即不考虑能量方程㊂粉末颗粒在同轴送粉中所占体积分数小于10%,为了更加准确描述粉末运动状态,考虑粉末颗粒体积对流场的影响,采用Eu-lerian 多相流模型分析气-粉流场的特性㊂为了显示颗粒体积对流体的影响,在气相控制方程里引入颗粒体积分数ε作为影响因子,其连续性方程如式(12)所示:∂ερ∂t+∇㊃ρεv f =0(12)㊀㊀式中:ρ为气体密度,kg /m 3;ε为颗粒的体积分数㊂动量守恒方程如下所示:∂ερv f ∂t+∇㊃ρεμv f =-∇ρ+∇㊃(εμ㊃∇v f )+ρεg -ðni(F R +F Mag +F saff )V(13)㊀㊀式中:μ为气体的运动黏度,N ㊃s /m 2;g 为重力加速度,取9.81m /s 2;V 为CFD 流体网格单元的体积㊂1.4㊀颗粒相控制方程m pd u p (t )d t=m p g +F R (t )+F Mag (t )+F Saff (t )-Cu p (t )(14)I pd ωp (t )d t=T p (t )-Cωp (t )(15)㊀㊀式中:m p 为颗粒的质量,kg;u p (t )为t 时刻颗粒运动速度,m/s;T p (t )为t 时刻由颗粒间接触力而产生的合力矩,N ㊃s;I p 为颗粒转动惯量,kg ㊃m 2;ωp (t )为颗粒在t 时刻颗粒转动速度,rad /s;F R (t )㊁F Mag (t )㊁F Saff (t )分别为t 时刻气体作用在颗粒上的运动阻力㊁Magnus 升力㊁Saffman 剪切力㊂2㊀DEM-CFD 耦合方法模拟验证2.1㊀喷嘴计算域模型建立分析同轴送粉喷嘴粉流空间形貌,了解粉流的空间分布特征,是研究喷嘴粉流流场分布的基础㊂因此在已有试验研究基础上构建如图2(a)所示的二维同轴送粉粉流分布特征模型,图中f 1表示粉流上焦点距离喷嘴出口的位置,即上焦距;f 2表示粉流上㊁下焦点之间的距离,即焦柱长;下焦距为f 1+f 2;f 3表示激光离焦量,d 1㊁d 2分别表示粉流上焦点直径和光斑直径㊂运用三维建模软件Solidworks 构建了同轴送粉喷嘴粉流管道计算模型如图2所示㊂从图2(b)可以看出同轴送粉喷嘴计算域主要分为3个部分,上部为圆环型送粉通道;中部为内㊁外壁不同倾角的漏斗状环型通道,下部为圆柱形粉流分布计算域,粉流从四个均布在喷嘴上方的粉流入口射入,经过内㊁外壁成一定角度的漏斗状渐缩环形通道聚拢,从出口喷出进入圆柱形粉流分布计算域㊂二维计算域如图2(c)所示,为了描述同轴送粉喷嘴计算域几何特征,如表1所示,设置以下参数变量:d 为粉流入口直径,h 1㊁h 2分别为喷嘴整体与圆环型粉流通道的高度,α为漏斗状渐缩环型通道内外壁夹角,β为漏斗状渐缩环型通道外壁夹角,δ为喷嘴出口宽度,m 为中心光路保护气圆环通道高度,w ㊁r 分别为为中心光路保护气入㊁出口半径,b ㊁h 分别为圆柱形计算区域的长和宽㊂931中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年图2㊀同轴送粉喷嘴粉流分布特征及模型计算域Fig.2㊀Nozzle powder flow distribution characteristics and model calculation domain of coaxial powder feeding表1㊀计算域特征参数初始值Table 1㊀Initial values of characteristic parameters of the calculation domainParameter α/(ʎ)β/(ʎ)δ/mm w /mm m /mm r /mm d /mm Value106015546Parameter k /mm e /mm b /mm h /mm h 1/mm h 2/mm Value 201010257230图3㊀同轴送粉喷嘴结构化计算网格Fig.3㊀Structured grids of coaxial feeding nozzle2.2㊀网格划分通过ICEM 网格前处理软件进行同轴送粉喷嘴计算域网格划分,为提高计算网格质量及计算效率,选择六面体结构化网格㊂相关网格划分如图3所示㊂由于粉末汇聚区域运动变化情况明显,需对其网格进行加密,其余部分网格设定适当稀疏,设定喷嘴入口处网格大小为0.8mm,保护气域及圆柱计算域网格大小为0.75mm,喷嘴环形通道计算域网格大小为1.5mm,由于3个计算域相接触部分为计算核心域,设定该计算域网格大小为0.2mm,并对划分后的网格进行优化,选取Quality 在0.4及其以上的网格,As-pect Ratio 控制在0~1内,Determinant 控制在0~1内,划分后的网格总数量为377959个㊂定义喷嘴出口圆环中心点为基准坐标点,y 轴沿圆柱计算域轴向中心线方向,x 轴沿圆柱计算域径向分布㊂2.3㊀耦合仿真模拟参数设置DEM-CFD 耦合方法可以使流体与颗粒在更能发挥本身优势计算领域中进行受力与运动的求解,通过耦合的曳力模型来实现两相之间力㊁位移等数据的互相传输㊂2.3.1㊀FLUENT 相关求解参数设置㊀㊀同轴送粉喷嘴气流场属于低速㊁连续㊁不可压缩的湍流流动,对于多相流的仿真不能是恒稳态,必须设置一个依赖于时间的仿真,仿真选择Pressure-Based 求解器,时间类型选择Transient,重力加速度设置为Y =9.81m /s 2,方41㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律向应与EDEM中所设置的重力方向一致,进行数值模拟的参数设定㊂由于仅涉及气固流场问题,因此不考虑壁面传热及激光与颗粒之间的能量交换㊂FLUENT具体参数设置如表2所示㊂FLUENT在求解同轴送粉喷嘴气-粉两相流场时会表现出的非线性特征通过松弛因子来控制收敛与变化情况,在满足同轴送粉喷嘴流场稳定的前提下确定出同轴送粉流场模拟求解的松驰因子具体参数数值,其中pressure 为0.3㊁density为1㊁body forces为1㊂表2㊀FLUENT仿真参数设置Table2㊀FLUENT simulation parameters settingSimulation parameters Model and valueTurbulence model Standard k-e,stand-ard wall function Multiphase flow model Eulerian Fluid material N2 Powder inlet boundary condition/(m/s)Velocity-inlet:4 Protective gas inlet boundary condi-tion/(m/s)Velocity-inlet:1.5 Wall boundary condition Wall Export boundary conditions/Pa Pressure-outlet:0 Solution method Phase Coupled SIMPLE Convergence residual0.001 Automatic data retention interval Time step of50 Time step/s8ˑ105 Number of time steps1250 Maximum number of iterations perstep60 2.3.2㊀EDEM求解模型及参数设置㊀㊀采用超景深显微镜观察Ni60A粉末颗粒的细观真实形貌,粉末颗粒形状大多为形状相对均匀且基本为球状,假设粉末颗粒为均匀的㊁等直径的球形颗粒,由公式(4)可求得平均体积粒径为0.06mm,将喷嘴的4个入口处分别设置颗粒工厂,粒径为0.06mm,每个颗粒工厂设置质量流率为5g/min,依次设置粉末相关参数以及仿真求解参数,EDEM中的参数设置如表3所示㊂在耦合模块中采用Eulerian耦合方法,曳力模型选用Freestream Equation,升力模型选用Magnus Lift及Saffman Lift,进行耦合仿真㊂表3㊀EDEM仿真参数设置Table3㊀EDEM simulation parameters settingSimulation parameter Model and value Particle contact model Hertz-Mindlin(no slip) Gravity acceleration/(m/s2)Y=9.81 Particle material Ni60A Particle Poissonᶄs ratio0.25 Particle shear modulus/(N/m2)8ˑ109 Particle density/(kg/m3)8000 Geometry material Cu Geometric Poissonᶄs ratio0.36 Geometric shear modulus/(N/m2) 3.9ˑ1010 Geometric density/(kg/m3)8800 Particle generation rate/(g/min)20 Particle incident velocity/(m/s)4 Time step/s1ˑ10-6 Data retention interval/s0.0005 Calculate the domain grid size4ˑR2.4㊀试验验证试验激光头配有Fraunhofer公司的同轴送粉喷嘴IWS-COAX8,送粉器为德国GTV公司的PF2/2送粉器,保护气为N2,设定总颗粒生成速率为20g/min㊁颗粒入射速度为4m/s㊁保护气速度为1.5m/s的条件下,验证DEM-CFD耦合方法对同轴送粉喷嘴流场数值模拟的准确性,如图4(a)(b)所示,分别为同轴送粉喷嘴粉末速度迹线图与DEM-CFD耦合方法的仿真速度迹线图,试验结果与仿真结果对比如表4所示㊂从表4中可以看出,仿真模拟结果的粉流上焦距㊁下焦距㊁焦柱直径相较于试验结果准确度均达到了90%以上,焦柱长也达到了75%,这说明使用DEM-CFD耦合方法来模拟同轴送粉喷嘴粉流流场与试验结果极为接近,仿真模拟分析结果具有较高的准确性,对粉流流场模拟具有较大的参考价值㊂图4㊀试验与仿真结果对比图Fig.4㊀Comparison chart of experimental and simulation results141中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年表4㊀试验结果与仿真结果对比Table 4㊀Comparison of experimental and simulation resultsData Experimental result SimulationresultsAccuracy /%Upper focus distance /mm16.017.590.6Lower focal length /mm20.020.597.5Focus column length /mm4.03.075.0Focus cylindricaldiameter /mm2.52.2690.43㊀送粉参数对粉流流场的影响分析送粉参数是决定激光再制造质量与效率的重要影响因素之一,也是决定同轴送粉分流集聚效果好坏的主要凭据㊂本节中,以喷嘴中心轴向粉流分布浓度㊁焦点距离㊁上焦点截面粉流分布浓度㊁单位距离粉流分布浓度等参数为衡量指标,探究输粉气流速度㊁送粉速率㊁中心光路保护气速度对粉流分布的影响㊂3.1㊀粉末集聚性衡量指标粉末的集聚性是影响增材再制造成形质量㊁成形效率和粉末利用率的重要指标,粉末集聚性依据喷嘴中心轴向粉流分布浓度和上焦点截面粉流分布浓度来判断,同时,为了量化表示粉末聚集性,考虑单位尺度上粉末的分布浓度,引入单位距离粉流分布浓度ψi 为衡量指标,其计算如式(16)所示:ψi =Q C D(16)㊀㊀式中:Q C 为截面粉流浓度,D 为粉流浓度分布直径,m㊂以参数化描述粉末集聚性,单位距离粉流分布浓度数值越大,粉末集聚性越好㊂3.2㊀输粉气流速度的影响在中心光路保护气速度为1.5m /s㊁送粉速率20g /min 不变的条件下分别对v =3㊁4㊁6㊁8m /s的输粉气流速度下同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟㊂图5为不同输粉气流速度下粉末颗粒速度迹线图㊂令发散角θ为粉流由喷嘴喷出后的发散范围㊂当输粉气流速度v =3m /s 时,粉末由于受到气流的曳力作用较小,粉末喷出后的动能也小,因此粉末受到重力及其他阻力的影响比较严重,粉流具有较大的发散角为26ʎ,发散性较大,上焦点位置距离喷嘴口较远,焦柱长度小;随着输粉气流速度的增大,由于气流对颗粒的曳力作用和颗粒本身的惯性越来越大,受到重力等因素的影响变小,使得粉流在集聚区域的集聚性得以改善,粉流发散性逐渐变小;当输粉气流速度v =8m /s 时,发散角减小至18ʎ,粉流集聚性增强,上焦点位置距离喷嘴口较近,形成了较长的焦柱长度㊂不同输气速度下的喷嘴中心轴向粉流分布浓度情况如图6所示㊂从整体上看,不同输粉气流速度下的喷嘴中心轴向粉流浓度在沿Y 轴方向均存在两个极大值㊁一个极小值,说明粉流在喷出后形成了一个上焦点和一个下焦点,且二者总体趋势大致相同㊂当输粉气流速度取最小值v =3m /s 时,粉流受到输粉气流的曳力作用较小且受到重力因素作用较大,粉流焦点位置会向下移动,总体粉流浓度最大,在Y =21.5mm 处的上焦点位置粉流浓度达到最大值0.0145,在下焦点位置Y =23mm 处,粉流浓度为0.0051;当输粉气流速度取最大值v =8m /s 时,整体的粉流浓度相图5㊀不同输气速度下粉流速度迹线Fig.5㊀Distribution of powder flow velocity traces under different carrier gas velocities241㊀第2期郭辰光,等:同轴送粉工艺参数对激光增材再制造喷嘴粉流流场的影响规律较于其他输气速度下的浓度最低,上焦点距离喷嘴出口最近,上焦点位置上移至Y =12.5mm,浓度为0.0068,下焦点在Y =23mm 处,浓度为0.0042㊂图6㊀不同输气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.6㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle under different carrier gas velocities图7给出了粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度的变化曲线,从图中见,随着输粉气流速度的不断增大,粉流的上焦点浓度逐渐减小,焦点位置迅速上移,这是由于随着输粉气流速度变大,粉流受到输粉气流的曳力作用也就越㊀㊀㊀大,同时粉流的惯性也越大,粉末从喷嘴喷出后受到重力㊁空气阻力等其他因素的影响就越小,粉流的运动准直性较好,聚焦效果明显,因此焦点位置会随着输粉气流速度的增大而向上移动㊂图7㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随输粉气流速度变化Fig.7㊀Variation of upper focus concentration of powder flowand focal distance with carrier gas velocities图8为不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布情况㊂从整体上看,焦点截面浓度基本呈中心对称分布,汇聚点中心浓度最高,粉流浓度沿径向逐渐降低至0㊂经计算,输粉气流速度从小到大的顺序下,上焦点截面粉流浓度分布直径图8㊀不同输气速度下上焦点截面粉流浓度分布Fig.8㊀Concentration distribution of powder flow in upper focal section under different carrier gas velocities341中㊀国㊀表㊀面㊀工㊀程2020年分别为2.52㊁2.26㊁1.3和1.0mm㊂同时,由式(16)计算单位距离粉流分布浓度分别为5.57㊁5.66㊁6.53和6.80kg /m 4㊂可见,随着输粉气流速度的不断增大,焦点中心浓度不断减小,粉流焦点浓度分布直径不断缩小,单位距离粉流分布浓度增加,粉末的集聚效果增强㊂根据上述分析可以得出,输粉气流速度对粉流的集聚特性有非常明显的影响,随着输粉气流速度的不断增大,整体粉流分布浓度逐渐减小,焦点逐渐上移,粉流焦点浓度分布直径越来越小,粉末集聚性明显㊂较大的输粉气流速度会使得颗粒的惯性增大,粉末颗粒在碰撞基体后会产生强烈的反弹,产生飞溅,降低粉末的使用率,高速气流也会冲击熔池,对熔覆层成形质量产生很大的影响㊂因此,在调节输粉气流速度时,应在满足熔覆要求和质量的前提下适当加大输粉气流速度,有利于改善粉末的集聚性,提高粉末的使用率㊂3.3㊀中心光路保护气速度的影响同轴送粉喷嘴中心光路保护气是防止激光熔覆时产生的熔渣或烟气进入中心光路从而导致光路镜片受到损坏和污染的有效手段㊂在输粉气流速度为4m /s㊁送粉量为20g /min 不变的条件下分别对v 1=1㊁1.5㊁2和3m /s 的中心光路保护气速度下的同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值仿真模拟㊂图9㊀不同中心光路保护气速度下喷嘴中心轴向粉流浓度分布Fig.9㊀Concentration distribution of axial powder flow inthe center of the nozzle at different central optical pathshielding gas velocities如图9所示,为不同中心光路保护气速度下的轴向粉流浓度分布曲线㊂从整体上看,当中心光路保护气速度取最小值v 1=1m /s 时,粉流浓度最大,焦点距离喷嘴出口也最近,在Y =16mm 的上焦点处的粉末浓度流为0.0137,在Y =19mm 处下焦点的浓度为0.0085;当中心光路保护气速度取最大值v 1=3m /s 时,整体粉末浓度最低,焦点距离喷嘴出口也最远,上焦点位置在Y =19.5mm 处,浓度为0.0101,下焦点的位置在Y =22mm 处,浓度为0.0055㊂如图10所示,为粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化曲线,从图中可以看出,随着中心光路保护气速度不断提高,粉流上焦点浓度不断减小,粉流上焦点距离喷嘴出口越来越远,这是由于粉流在输粉气流的曳力带动下向喷嘴中心轴线集聚时,受到中心光路保护气垂直向下的曳力作用,随着中心光路保护气速度的不断提高,粉末颗粒受到向下的曳力也就越大,因此粉末焦点会逐渐向下移动;随着保护气速度的增大,粉流的运动由于受到垂直向下力的作用越来越大,部分颗粒不再向中心集聚,因此粉末颗粒向中心集聚的数量越来越少,粉流上焦点浓度随着中心光路保护气的速度增大而越来越小㊂中心光路保护气速度v 1=2~3m /s 时,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点下移趋势开始平缓,这是由于粉末喷出后的速度是一定的,当施加给颗粒的竖直速度分量到达某一个值后,再继续增加竖直速度分量大小,随着粉流速度的增大,水平速度分量减小的就越来越慢,因此,粉末颗粒向中心集聚的数量减小的越来越慢,粉流焦点浓度的下降趋势和焦点的下移趋势也就渐趋平缓㊂图10㊀粉流上焦点浓度与焦点距离随中心光路保护气速度的变化Fig.10㊀Variation of upper focus concentration of powderflow and focal distance with protection gas velocities at cen-ter laser path441。

光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟

光内送粉喷头空间变姿态粉气流场数值模拟姜付兵;石世宏;傅戈雁【摘要】光内送粉喷头是一种新型的激光熔覆同轴送粉喷头,具有空心光束、单根粉束指向性好、无干涉、光粉气一体同轴等优势.为了分析喷头倾斜角度和外层准直气流速对粉束汇聚特性的影响,采用FLUENT软件进行模拟计算,对喷头在空间变姿态作业过程中单喷嘴出口粉束的汇聚特性进行了理论分析和实验验证.结果表明,喷嘴出口粉末质量浓度分布沿x方向服从高斯分布,对称轴上沿-y方向质量浓度先基本保持恒定,后逐渐下降为0kg/m3;随喷头倾斜角度的增大,粉末汇聚长度h不断减小,h变化范围为11mm～17mm,偏移量△x大致呈增大趋势,△x变化范围为0.0mm ～ 0.4mm;随外层准直气速度增加,汇聚长度h呈轻微上升趋势,h上升幅度为1mm～2mm,而偏移量△x在不同倾斜角度范围内呈现出不同变化趋势,△x变化幅度为0.05mm～0.15mm;实验数据与模拟结果变化趋势基本吻合.所建模型和模拟结果对于选择和优化实验工艺参量具有参考价值.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】7页(P145-151)【关键词】激光技术;气固两相流;数值模拟;光内同轴送粉【作者】姜付兵;石世宏;傅戈雁【作者单位】苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021;苏州大学机电工程学院,苏州215021【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN249Key words:laser technique; gas-solid two-phase flow; numerical simulation; inside-beam coaxial powder feeding*通讯联系人。

E-mail：*******************.cn金属零构件空间修复和3维自由成形在工程与国防领域具有很好的应用前景[1]，而光粉耦合工艺是实现激光直接成形的关键技术之一，对送粉喷头喷嘴出口流场特性进行数值模拟分析，对于优化喷嘴结构和工艺参量具有重要意义。

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟

宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴的设计与数值模拟郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫【摘要】为了设计一种适用于大功率的宽带激光熔覆同轴送粉喷嘴,采用FLUENT 软件中的离散相模型,对送粉喷嘴的送粉道在不同倾角和不同出口间隙条件下的粉末汇聚特性和浓度分布特性进行了研究.分析了其它条件不变时,外层保护气流速对粉末汇聚的影响,得到了较优的结构尺寸,并利用设计研制的宽带同轴送粉喷嘴装置,进行了送粉和熔覆实验.结果表明,宽带激光同轴送粉喷嘴的焦点浓度在汇聚中心的径向和轴向都近似服从高斯分布;随着倾角的增大,出口间隙对焦距的影响也越来越大,且出口间隙越小,焦距越大;当倾角为70°,出口间隙为3.5mm时粉末汇聚性较好,粉末利用率较高;在其它条件不变时,外层保护气体流速过大或过小均不利于粉末汇聚,当外层保护气体流速略小于载气速率时,送粉喷嘴的粉末汇聚特性最佳.表面熔覆质量达到了预期要求,验证了该结构的合理性.所设计的宽带同轴送粉喷嘴对后续宽带激光熔覆的研究与应用具有重要意义.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2018(042)003【总页数】7页(P362-368)【关键词】激光技术;宽带同轴送粉喷嘴;离散相模型;激光熔覆【作者】郭翔宇;倪茂;刘华明;雷凯云;杜甫【作者单位】武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室,武汉430070;武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心,武汉430070;中国北方车辆研究所底盘技术部,北京100072【正文语种】中文【中图分类】TG156.99引言激光熔覆技术是激光先进制造技术中最重要的支撑技术之一。

送粉气流对冷喷涂流场及粒子速度影响的数值模拟

送粉气流对冷喷涂流场及粒子速度影响的数值模拟唐文勇;陈清华;陈子云;张学清;柴伟伟;贺志强【摘要】通过建立二维数值模型,利用计算流体力学软件进行数值模拟,研究了送粉气流压力和温度对冷喷涂过程中流场及粒子速度的影响.结果表明:喷涂中不可忽略送粉气流对流场及粒子速度的影响；为将粉末注入喷管,送粉气流的出口压力不能小于出口处的主气流压力,但增大送粉气流压力会使得进入喷管渐缩段的送粉冷气体流量增大,从而排挤高温主气流,同时也降低喷管气体流动的滞止焓,导致喷管喉部声速减小,不利于粒子加速；增加主气流温度对粒子加速效果不明显,而增加送粉气流温度可有效提高粒子撞击基板的速度,进而提高粉末粒子的沉积效率.%A two-dimensional numerical model is established and numerical simulation with computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT is conducted to investigate the effect of the powder deliver gas on flow field and particle velocity inside and outside supersonic nozzle in cold spraying process. It is found that the powder deliver gas with higher pressure and lower temperature than main stream gas exerts significant effects on the flow field and the particle velocity. The inlet pressure of the powder deliver gas must be higher than that of the main stream gas to inject the particles into the nozzle. However, increasing the pressure of the powder deliver gas will result in the increase in the flow rate of the cold powder deliver gas to squeeze out the high temperature main gas. Then the stagnation enthalpy of the gas in the nozzle also decreases, which leads to the reduction in the speed of sound at the nozzle throat and impedes the acceleration of particles. At this time, the increase in the main gas temperature does notsignificantly affect the acceleration of particles , while the increase in the temperature of powder deliver gas effectively improves the particles' impact velocity and deposition efficiency.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2012(046)007【总页数】5页(P82-86)【关键词】冷喷涂;送粉气流;计算流体力学;数值模拟【作者】唐文勇;陈清华;陈子云;张学清;柴伟伟;贺志强【作者单位】重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,400030,重庆;重庆大学动力工程学院,400030,重庆【正文语种】中文【中图分类】TG174.442冷喷涂是近年来新发展起来的一种高效的材料表面低温沉积技术.在冷喷涂过程中，粉末粒子（粒径通常为1～50μm）由流经缩放喷管的超声速气流加速，以高速（300～1 200 m/s）撞击基板产生剧烈塑性变形，沉积在材料表面形成涂层［1－2］.粒子在基板上沉积时的温度远低于喷涂材料的熔点，从而大大减小或消除了传统热喷涂过程中存在的诸如材料高温氧化、蒸发、熔化、结晶、残余热应力、脱落及气体释放等缺点.此外，该技术还具有喷涂效率高、涂层气孔率低、喷涂粉末可回收利用等优点，具有广阔的应用前景和实用价值.粒子撞击基板时，只有超过其临界沉积速度才会沉积，从而形成涂层，因此，粒子撞击速度是冷喷涂的关键因素，直接影响涂层的沉积效率及质量［3］.为了有效地提高粒子撞击基板的速度，需要了解影响粒子撞击基板速度的各种因素.目前，人们主要运用数值模拟来分析喷涂参数（主要是载气体温度、压力及喷涂距离）对流场和粒子速度的影响，并对喷管进行优化.例如：Champagne等［4］利用一维等熵气体动力学计算，分析了冷喷涂过程中气体和粒子速度随喷涂参数的变化关系；Li等［5－6］应用计算流体力学，通过对喷管尺寸的优化，获得了更大的粒子速度；Ning等［7］讨论了低压冷喷涂系统中粒子的加速特性.此外，送粉位置的不同也会对粒子速度及温度产生影响.Klinkov等［8］通过对不同的材料粉末选用不同的送粉位置来实现多组分涂层的制备，经数值计算发现，不同送粉位置对于流动粒子温度的影响十分明显.以上研究只考虑了从送粉器出来的粉末粒子，但却忽略了将粒子带出送粉器的气流（本文称为送粉气流）.在冷喷涂过程中，送粉气流将粉末粒子从送粉器中带出，并与经过预热的主气流一同进入缩放喷管加速（如图1所示）.为使粉末粒子能够进入喷管，送粉气流的压力不能低于主气流压力，而没有经过加热的送粉气流的温度远低于经过预热的主气流的温度，因此，高压低温的送粉气流进入喷管后对喷管内整个流场的影响不能忽略.本文将分析送粉气流对冷喷涂中流场及粒子速度的影响，利用计算流体力学（CFD）软件FLUENT进行数值模拟，并对相关结果进行讨论.1 数值分析模型图1 典型冷喷涂过程示意图喷管的几何结构、计算区域及边界条件如图2所示.由于整个喷管模型是轴对称结构，因而只需要对轴对称二维模型的一半区域进行数值模拟即可.喷管进口、喉部和出口的直径分别为14、2和6 mm，渐缩段和渐扩段的长度分别为20和150 mm，喷涂距离（喷管出口到基板间的距离）设定为30 mm.送粉口位于喷管进口处，取送粉管直径为1.8 mm，长度为5 mm，主气流和送粉气流均为空气，粉末材料为铜.2 喷管1/2二维模型的几何结构、计算区域及边界条件模拟中，流体被认为是理想的且可压缩的，粒子为连续气相中的离散相.采用Yakhot等［9］提出的重整化群（RNG）k－ε模型描述气体的湍流流动，相应的控制微分方程的张量形式如下：质量方程可压缩理想气体的状态方程模拟中，粒子可以看成连续气相中的离散相，在FLUENT中通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程，来求解离散相颗粒的轨道.忽略重力对粒子的影响，颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式（x方向）为式中：u和up分别为流体速度和粒子速度；Fd（uup）为单位质量粒子所受的曳力，且其中μ为流体运动黏度，ρ和ρp分别为流体和粒子的密度，Dp是粒子直径，Re 是相对雷诺数，其定义为CD为阻力系数，计算公式为对于球形颗粒，在一定的雷诺数范围内a1、a2和a3为常数［10］.计算中对控制微分方程中的对流项采用二阶迎风方案进行离散，对近壁面的流动采用非平衡壁面函数来处理，计算区域的网格采用四边形结构化网格.用不同的网格数检验了网格无关性，测试表明，对于所涉及的模型，30万个网格单元已足以消除网格密度的影响.2 结果和讨论2.1 送粉气流对气体流场的影响在冷喷涂过程中，送粉气流的进口压力不应小于主气流的进口压力，否则主气流会倒流进入送粉管，出现送粉管堵粉现象.在模拟中，主气流进口温度和压力分别设定为673K和1.8MPa.首先分析当送粉气流进口温度为常温时，进口压力对冷喷涂过程中喷管内气体速度场、温度场的影响.图3给出了送粉气流进口压力对喷管渐缩段气体温度的影响：当送粉气流和主气流的进口压力相同时，送粉冷气流在出口处的速度与高温主气流的速度相同，两股气流都可以穿过喉部进入渐扩段（见图3a）；随送粉气流压力增加，使得进入渐缩段的送粉冷气体流量增加，送粉冷气流在出口处的速度将大于高温主气流的速度，从而出现类似于射流的现象，即渐缩段对称轴周围的低温气流区域扩大（见图3b）.与大空间自由射流不同，超声速缩放喷管中的气体流量取决于喷管喉部的声速，送粉冷气体流量增加必将排挤高温主气流，使高温主气流流量（M2）减小，并且喷管气体流动的滞止焓也将随着下降，从而降低喷管喉部的声速及喷管中的气体总流量，这将进一步排挤高温主气流.当进一步增加送粉气流压力时，这一现象更为明显（见图3c）.图3d是送粉气流压力增加到2.4MPa时，高温气体被排挤的状况.从表1也可以看出，随着送粉气流进口压力（p1）的增加，进入喷管的送粉气流质量流量（M1）急剧增加：当送粉气流进口压力与主气流进口压力（p）相等为1.8 MPa时，送粉气流质量流量与喷管内总气流质量流量（M）的比值仅为2.1%；当送粉气流进口压力增加到2.0MPa时，该比值上升为57.1%；进一步增加送粉气流压力到2.4MPa时，该比值高达84.2%.3 不同送粉气流进口压力下喷管渐缩段的气体温度分布主气流进口温度为673K，压力为1.8MPa，送粉气流进口温度为300K表1 不同送粉气流压力下喷管内的气流质量流量p1/MPa M/g·s－1 M1/g·s－1M2/g·s－1 M1·M－1/%1.8 2.0 2.4 15.84 15.39 14.97 0.34 7.33 12.61 15.50 8.06 2.36 2.1 57.1 84.2图4给出了送粉气流进口压力为2.2MPa时喷管渐缩段内的气体速度矢量图.图中显示，在喷管渐缩段中心线两侧存在旋涡.这是因为缩放喷管渐缩段有限空间的特殊性所致，即在渐缩段入口处，送粉气流管截面远小于渐缩段入口截面，当送粉冷气流压力大于高温主气流压力时，送粉气流出口形成的射流类似于大空间自由射流，送粉射流卷吸高温主气流，但是由于渐缩段空间变小，同时受到喷管喉部流量的限制，从而导致射流外部气体回流形成旋涡，造成高温主气流被送粉冷气流排挤，以及高温主气流在喷管总气体流量中的比例大幅度减小.图4 喷管渐缩段气体速度矢量图主气流进口温度为673K，压力为1.8MPa；送粉气流进口温度为300K，压力为2.2MPa2.2 送粉气流对粒子撞击速度的影响为形成有效沉积，冷喷涂中的一个重要条件是粒子撞击基板时的速度必须达到粒子的临界沉积速度.图5给出了主气流进口温度为673K、压力为1.8MPa时，直径10μm的粒子撞击基板的速度随送粉气流进口压力和温度变化的情况.从图中可看出，当主气流参数一定时，改变送粉气流参数对粒子撞击基板的速度影响显著.当送粉气流为常温300 K时，随着送粉气流压力的增加，粒子撞击基板的速度减小；当送粉气流压力与主气流压力相等为1.8 MPa时，粒子速度最大为594m/s，大于文献［3］给出的铜粉末临界沉积速度值570m/s；当增加送粉气流压力到2.0MPa时，喷管内送粉冷气体所占的份额增加，此时粒子撞击基板的速度为535m/s；当送粉气流压力为2.4MPa时，粒子撞击基板的速度仅为498m/s，此时粒子均不能沉积在基板上.这是因为增大送粉气流压力使得进入渐缩段的送粉冷气体流量增大，从而排挤了高温主气流，同时也降低了喷管气体流动的滞止焓，导致喷管喉部声速减小，喷管气体流速下降不利于粒子加速.另一方面，增加送粉气流温度可使滞止焓以及喷管喉部声速下降的幅度减小，有利于提高粒子撞击基板的速度，而当送粉气流温度达到673K，即与主气流温度相同时，则对滞止焓以及喷管喉部声速没有影响.图5 直径10μm粒子撞击基板的速度随送粉气流进口压力和温度的变化主气流进口温度为673K，压力为1.8MPa图6显示了送粉气流温度为300K、压力为2.4 MPa，主气流压力为1.8MPa时，不同粒径粉末撞击基板的速度随主气流温度的变化情况.从图中可以看出，粒子撞击基板的速度随主气流温度增加基本保持不变，这时送粉气流流量与主气流流量之比为5.33∶1，由于主气流流量占喷管总流量的比例很小，提高主气流的温度对提高喷管气体流动的滞止焓不明显，所以加热主气流并不能有效提升粒子速度.图6 不同粒径粉末撞击基板的速度随主气流温度的变化送粉气流温度为300K、压力为2.4MPa，主气流压力为1.8MPa3 结论本文利用数值方法，主要讨论了送粉管出口位于缩放喷管进口处的冷喷涂系统中，送粉气流参数对喷管内气体流场及粒子撞击基板速度的影响，得出以下结论. （1）冷喷涂过程中应控制送粉气流的压力，使其稍大于（理想状况是等于）主气流进口压力.送粉气流进口压力超过主气流进口压力过多时，会使得进入渐缩段的送粉冷气体流量增大，从而排挤高温主气流，同时也降低了喷管气体流动的滞止焓，导致喷管喉部声速减小，因而不利于粒子加速，并且此时提高主气流温度对提高粒子速度不明显.（2）在不改变喷涂粉末物性的前提下，对送粉气体进行预热将有效提高粒子撞击基板时的速度，从而提高沉积效率.【相关文献】［1］ALKIMOV A P，PAPYRIN A N，KOSAREV V F，et al.Gas dynamic spraying methodfor applying a coating：US，5302414［P］.1994－04－12.［2］KOSAREV V F，KLINKOV S V，ALKHIMOV A P，et al.On some aspect of gas dynamics of the cold spray process［J］.Journal of Thermal Spray Technology，2003，12（2）：265－281.［3］ASSADI H，GARTNER F，STOLTENHOFF T，et al.Bonding mechanism in cold gas spraying［J］.Acta Materialia，2003，51（15）：4379－4394.［4］CHAMPAGNE V K，HELFRITCH D J，LEYMAN P F，et al.The effects of gas and metal characteristics on sprayed metal coatings［J］.Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering，2005，13（7）：1119－1128.［5］LI Wenya，LI Changjiu.Optimal design of a novel cold spray gun nozzle at a limited space ［J］.Journal of Thermal Spray Technology，2005，14（3）：391－396.［6］LI Wenya，LIAO Hanlin，WANG Hongtao，et al.Optimal design of a convergent－barrel cold spray nozzle by numerical method ［J］.Applied Surface Science，2006，253（2）：708－713.［7］NING Xianjin，WANG Quansheng，MA Zhuang，et al.Numerical study of in－flight particle parameters in low－pressure cold spray process［J］.Journal of Thermal Spray Technology，2010，19（6）：1211－1217.［8］KLINKOV S V，KOSAREV V F，SOVA A A，et al.Deposition of multi componentcoatings by cold spray［J］.Surface and Coatings Technology，2008，202（24）：5858－5862.［9］YAKHOT Y V，ORSZAG S A.Renormalization group analysis of turbulence：basic theory［J］.Journal of Scientific Computing，1986，1（1）：3－51.［10］MORSI S A，ALEXANDER A J.An investigation of particle trajectories in two－phase flow systems ［J］.Journal of Fluid Mechanics，1972，55（2）：193－208.。