激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟_董辰辉

Three Dimensional Numerical Simulation of Coaxial Powder Feeding Flow with Carrying Gas
Dong Chenhui1 ,2 Yao Jianhua1, 2 Hu Xiaodong1 ,2 Chen Zhijun1 ,2
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 。
1 Key Laborat ory of Mechanical Manuf act ure and Automation , Munistry of Education , Zhejiang University of Technology , Hangzhou , Zhejiang 310014, China
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 , Navier-St oke s 方程 的广
义形式为
ρ
u t
-
·[ η( u +( u)T] +
ρ(u · )u + P =F
(1)
·u =0 .
第 37 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LASERS
文章编号 :0258-7025(2010)01-0261-05
V ol .37, N o .1 January , 2010
激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
董辰辉1, 2 姚建华1 , 2 胡晓冬1, 2 陈智君1 , 2
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 。
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 Navie r-St okes 模型来解 决不可压缩流体的动态和静态问题 。
Navier-Sto 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
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Baidu Nhomakorabea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 , Jehnming[ 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
1期
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 T hree-dimensio nal numerical mo de
of po wder 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 。
2 Research Center of Laser Processing Technology and Engineering , Zhejiang Universit y of Technology , Hangzhou , Zhejiang 310014, China
Abstract The three-dimensional incompressible Navier-Stokes application mode of COMSOL Multiphysics software is used for modeling and simulating the coaxial powder feeding flow with carrying gas in this article.The distributing of velocity field and pressure of flow is studied.Numerical simulations show the cladding layer results in the decrease of velocity and flow of gas , and the increase of pressure.The distance between the powder head and the convergent point of gas is calculated. Key words laser technique;coaxial powder feeding;three dimensional flow;numerical simulation ;Navier-Stokes equation;nozzle
E-mail :dch 1209 @163 .co m 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 。 E-mail:laser @zjut .edu.cn
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分布 。 Yang[ 3] 研究了激 光熔覆中同轴送粉的汇聚 模型 。Z ekovic 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 。
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 M ultiphy sics 软件的 Navier-S tokes 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 。
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
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 Navie r-St okes 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 。
收稿日期 :2009-03-23;收到修改稿日期 :2009-04-03 基金项目 :科技部国际合作项目(JG-JD-2008001), 浙江 省自然科学基金(Y 107489)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 。
图 3 z =-6 mm 处的 气流速度场分布 Fig .3 G as flo w v elocity at z =-6 mm
图 4 z =-15 mm 处的气流速度场分布 F ig .4 G as flow velocity at z =-15 mm
5 结果分析
研究同轴送粉的效果主要是分析载气在喷出喷 嘴之后在空间的汇聚情况 , 所以主要分析的是此空 间内水平切面内的速度场 、压强和流量分布 。 5 .1 气 流速 度场 和压 强分 析
图 1 同轴送粉喷嘴的典型结构 Fig .1 Structure of coax ial po wder 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 。
(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 。
COM SO L M ul tiphy sics 所提 供的应用模型 可 以通用于所有形式的不可压缩流体 。
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
广泛应用 。
采用 COMSOL Multi physics 软件进行 数值模 拟 。COM SO L Mult iphysi cs 软件包含 了不可压 缩 流体 Navie r-St okes 应 用模型 , 采用 Navier-S tokes 方程的广义形式来求解可变粘度问题 。 该模型可以
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 N avier-Sto kes 方程 , 采用 COM SO L M ultiphysics 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 ;N avier-Sto kes 方程 ;喷嘴 中图分类号 T N249 ;TF 124 文献标识码 A doi :10.3788/ CJL20103701 .0261
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 i nlet 。喷 头下方进行模拟的长 方体空间边界条件设置为 out let , 其他边界设置为 w all 。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 。