激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟

ρ5 u 5t
-
·[η( u + ( u) T ] +
ρ( u · ) u + P = F
(1)
·u = 0.
(1) 式中第一个方程是动量传输方程 ,第二个是不可
压缩流体的连续性方程 。其中相应的参量含义分别
为 :η为动态粘性系数 ,ρ为流体密度 , u 为速度场 , P
为压强 , F 为空间力场 。
COMSOL Multip hysics 所提供的应用模型可
以通用于所有形式的不可压缩流体 。
图 1 同轴送粉喷嘴的典型结构 Fig. 1 St ruct ure of coaxial powder feed head
3 数值计算模型
载气式同轴送粉过程中, 送粉的量较小 (5～25 g/ min) ,粉末的存在对气流流场的分布影响 很小 ,所以假设粉末在气流的影响下其空间流场分 布同气流是一样的 ,而主要目的就是对三维气流流 场进行数值模拟 。
三维流场的分布同二维近似计算之间有很大差 别 ,所以对载气式同轴送粉送粉头的气流流场进行 三维数值模拟还是非常必要的 。本文应用流体力学 中的 Navier2Sto kes 方程对载气式同轴送粉送粉头 的气流流场进行了三维数值模拟 ,研究分析气流流 场浓度分布规律 ,对同轴送粉喷嘴到熔覆层的距离 参数的选择 、喷嘴设计和性能优化具有参考价值 。
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中 国 激 光
37 卷
分布 。Yang[3] 研究了激光熔覆中同轴送粉的汇聚 模型 。Zekovic 等[4] 对激光直接金属沉积中放射状 对称送粉头气粉流进行了数值模拟 。另外杨洗陈 等[5～7] 研究了激光制造中载气式同轴送粉粉末流场 的二维 (2D) 分布 。刘振侠等[8] 研究了送粉式激光 熔覆数值模型 。而同轴送粉的三维 (3D) 气流流场 的数值模拟目前少有研究 。
董辰辉1 ,2 姚建华1 ,2 胡晓冬1 ,2 陈智君1 ,2
1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 , 浙江 杭州 310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心 , 浙江 杭州 310014
摘要 根据 Navier2Stokes 方程 ,采用 COMSOL Multip hysics 软件进行了载气式同轴送粉系统的三维气流流场数 值模拟 。结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减小 、压强增大 、相应的气流流量减小 ,并得到了气流汇聚点 距喷嘴的距离 。 关键词 激光技术 ;同轴送粉 ;三维流场 ;数值模拟 ;Navier2Stokes 方程 ;喷嘴 中图分类号 TN249 ; TF124 文献标识码 A doi : 10. 3788/ CJL20103701. 0261
E2mail : dch_1209 @163. com 导师简介 : 姚建华 (1965 —) ,男 ,博士 ,教授 ,主要从事激光先进制造与加工技术等方面的研究 。E2mail : laser @zjut. edu. cn
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1 Key L abor a t or y of Mech a n ical Ma n uf act u re a n d A u t om a t ion , M u nis t r y of Ed uca t ion , Zhej i a ng U ni ve rsi t y of Tech nology , Ha ngzhou , Zheji a ng 310014 , Chi n a
第 37 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 激 光
CHIN ES E J OURNAL O F LAS ERS
文章编号 : 025827025 (2010) 0120261205
Vol. 37 ,No . 1 J anuary , 2010
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
1 引 言
激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高 、热稳定性好 、与基体形成冶金结合的 复合涂层的工艺 。载气式同轴送粉是实现激光熔覆 的关键技术之一 ,它主要依靠载气的动能把粉末均 匀 、稳定地输送出去 ,辅之以气体动力分散和运输 , 使粉末分散均匀 、运输流畅 ,且能够重点解决立体送 粉和合金粉末的长距离输送问题 。同轴送粉中粉末 流与激光束同轴输出 ,能够将粉末均匀分散成环形 , 再汇聚后送入聚焦的激光光束中 ,并很好地适应扫
2 送粉系统
同轴送粉喷嘴的典型结构如图 1 所示 。整个喷 嘴集成了焦距调节 、循环冷却 、粉末流道和激光束通 道等子结构 。在使用时 ,将同轴送粉喷嘴上部与激 光头固定在一起 ,完成 x , y 和 z 轴各方向的运动 , 激光束从喷嘴中心通过 ;从粉末分配器来的粉末/ 载 气流分为 4 束后从同轴送粉喷嘴的 4 个入口进入喷 嘴 ,沿着喷嘴下部设计好的流道 ,呈倒置圆锥状喷 出 ;通过喷嘴上部的焦距调节螺纹 ,可调整喷嘴与熔 池的距离 ,使从喷嘴喷出的粉末流恰好汇聚到熔池 里 ;此外 ,由于喷嘴距熔池较近 ,为了防止熔池热辐 射使喷嘴过热 ,喷嘴内置冷却水循环系统 。
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1期Biblioteka Baidu
董辰辉等 : 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
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较大 。
图 2 送粉头三维数值计算模型 Fig. 2 Three2dimensional numerical mode
激光从上向下垂直照射 ,送粉头的移动方向就是 v 所示的方向 ,而图中的小长方体是激光熔覆过程中 已经沉积出的熔覆层。图 2 中沿送粉头中轴线每隔 1 mm设置了一个半径 2 mm 半圆形的小切面 ,用于后 处理中计算该范围内的流量积分 ,从而研究竖直方向 光斑范围内的流量分布以寻找气流的汇聚点 。
流体力学在研究气流或者水流问题时 ,经常假 设材料的密度是一个常数或者几乎是常数 。即假设
处理的问题中所遇到的流体是不可压缩流体 。流体
力学中可以采用不可压缩 Navier2Sto kes 模型来解 决不可压缩流体的动态和静态问题 。
Navier2Sto kes 方程基于牛顿第二定律 ,刻画流 体在重力 、粘性阻力和压力的作用下的运动规律 ,考 虑了流体静压能 、动能和势能平衡 ,以流体动能为 主 ,不考虑渗透阻力的作用 。主要研究管流 ,适用于 河道 、管道流场 。在巷道通风 、流体管流计算中得到
因为本模型是 3D 对称模型 ,所以图中有小点 的界面在模拟中设置为对称边界条件 。本模型中包 括了一个完整进气口和两个 1/ 2 进气口 ,这 4 个面 的边界条件设置为 inlet 。喷头下方进行模拟的长 方体空间边界条件设置为 o utlet ,其他边界设置为 wall 。载气使用的是氮气 ,所以将空间内的材料属 性均设置为材料属性库中的氮气即可 。
Th ree Di me ns i o n al N u me rical Si m ul a t i on of Coa xi al P ow de r Feedi n g Flow wit h Ca r r yi ng Gas
Dong Che nhui1 ,2 Yao J ia nhua1 ,2 Hu Xiaodong1 ,2 Che n Zhijun1 ,2
描方向的变化 ,具有激光熔覆技术所需要的各向同 性的功能 。在载气式同轴送粉系统中 ,金属粉末流 存在能量 、动量和质量输送物理过程 ,它们直接决定 熔覆层的尺寸 、精度和性能 ,因此需要对其粉末流场 进行深入的研究 。
工业应用中有许多与载气式同轴送粉激光熔覆 相似的工艺 ,如冷喷涂等 ,对这些类似的工艺过程中 的两相流动 ,人们从理论到实践进行了研究[1] 。此 外 ,J ehnming[2] 研究了雷诺数为 2000 时 ,同轴送粉 喷嘴内的气粉两相流动 ,计算和分析粉末流浓度的
2 Resea rch Ce n te r of L ase r Processi ng Tech nology a n d Engi nee r i ng , Zheji a ng U ni ve rsi t y of Tech nology , Ha ngzhou , Zheji a ng 310014 , Chi n a
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 。
首先来建立送粉头的 3D 模型 。为了减小计算 量由左 右 对 称 性 建 立 了 如 图 2 所 示 的 送 粉 头 的 1/ 2 三维模型 。
收稿日期 : 2009203223 ; 收到修改稿日期 : 2009204203 基金项目 : 科技部国际合作项目 (J G2J D22008001) ,浙江省自然科学基金 ( Y107489) 和浙江工业大学教改项目资助课题 。 作者简介 : 董辰辉 (1983 —) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模拟方面的研究 。
of powder feed head
图 2 中坐标单位是毫米 ,而整个模型 z 方向长度 为 100 mm , x 方向长度为 100 mm , y 方向长度为 50 mm。喷 嘴 的 z 轴 坐 标 为 0 , 喷 嘴 的 内 径 为 8. 5 mm ,外径为 9. 5 mm ,喷头的汇聚角度为 22°,进 气口的直径为 4 mm ,每个进气口载气的平均流速为 3. 31 m/ s。
广泛应用 。
采用 COMSOL Multip hysics 软件进行数值模 拟 。COMSOL Multip hysics 软件包含了不可压缩 流体 Navier2Sto kes 应用模型 , 采用 Navier2Sto kes 方程的广义形式来求解可变粘度问题 。该模型可以
用于计算流体的压强 P 和速度向量 ,另外它可以对 2D ,2D 轴对称和 3D 模型进行求解 。根据动量守 恒 、传输特性与速度梯度 , Navier2Sto kes 方程的广 义形式为