溶液喷雾在热等离子体射流内传热和运动的数值模拟

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 2.95MB 61 页 15积分
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摘要
溶液注入等离子体喷涂(Solution Precursor Plasma spray，SPPS)技术是将溶液经
过加压雾化，以喷雾的形式注入等离子体射流环境中，雾化的液滴在等离子体射
流中加热加速到一定的状态后最终沉积在基体表面而形成涂层。溶液注入等离子
喷涂技术为等离子喷涂技术提供了新的工艺，在制备高质量涂层方面具有较大的
技术优势，是等离子喷涂制备高性能涂层材料的发展方向，具有很大的发展前景。
溶液注入等离子体喷涂形成的涂层的质量与许多因素有关，其中关键性的因素是
要保证颗粒能够得到有效的加热与获得较高的速度，因此有必要研究喷雾在等离
子体射流内的运动轨迹和加热过程。
本文首先建立了等离子体射流三维数学模型，在初始条件相同情况下，分别
采用三种不同湍流模型对等离子体射流进行数值模拟；并与同等条件下的实验数
据相比较，确定了后续数值模拟需要采用的湍流模型。同时，分析了射流入口温
度和速度的变化对射流卷吸环境空气状态的影响，并讨论了在工作气体中添加高
导热系数气体对射流传热和流动的影响情况。
在此基础上，建立了溶液喷雾模型，给出了溶液液滴在等离子体射流中的受
力和加热方程，分析了喷雾液滴在等离子体射流中的受力和加热情况，通过数值
模拟得到了颗粒在基体表面的温度、速度、粒径大小以及空间位置分布，并且分
别研究了喷雾液滴注入参数（液滴注入速度及角度）、不同气体组分比例和基体位
置的变化对颗粒在基体表面的温度、速度、粒径大小以及空间位置分布的影响。
在建立溶液喷雾模型后，本文还分析了当有载气输运雾化液滴时，载气对等
离子体射流、颗粒运动轨迹和加热过程的影响，并讨论了载气速度大小的变化对
液滴运动和加热的影响。
本文所获得的研究结果，为优化等离子体喷涂工艺过程，以得到高质量的涂
层提供了一定参考性的意见和建议。
本课题受到国家自然科学基金（项目编号：50706027）、上海市教育委员会科
研创新基金（项目编号：09YZ206）、上海市重点学科建设项目（项目编号：J50501）
和教育部留学回国人员科研启动基金的资助。
关键词: 等离子体射流 湍流模型 溶液喷雾 颗粒运动 数值模拟
ABSTRACT
Solution Precursor Plasma spray (SPPS) is a technique which inflates and atomizes
the solution or suspension containing solid particles in powder. The particles are
injected into the plasma jet environment and the atomized-droplets can adhere to the
substrate surface after calefaction and acceleration process. SPPS has the overwhelming
advantage in preparing some high quality coatings and provides new processes for
plasma spraying. It is the development direction in preparing high-performance coating
material, and it has the broad prospects for development. The quality of coating is
related with many factors. It is the key factor that the particles get effective heating and
higher speed. Thus，it is necessary to research the motion trail and heating process of
particles in plasma jet flow field.
Firstly, a three-dimensional mathematical model of the plasma jet is established.
Three different turbulence models are used for the numerical simulation of the plasma
jet, as in the case of the same initial conditions. Calculated results of three different
turbulence models are compared with the experimental results under the same operating
conditions to determine the simulation turbulence model for the follow-up numerical
simulation. On this basis, the influence of the changes of the jet inlet temperature and
velocity to the state of the jet entrainment of ambient air is analyzed. And the heat
transfer and flow conditions of jet are discussed after adding high thermal conductivity
gas into the working gas.
On this basis, a solution spray model is established, the force and heat equations of
droplet particles in plasma jet flow field are given, and the force and heat condition of
spray droplets in the plasma jet flow. Temperature, speed, size and spatial distribution of
particles in the substrate surface are obtained by numerical simulation. The parameters
of the spray droplets（velocity and angle）
, proportion of different gases and the change
of matrix location are also discussed, which may affect the temperature, speed, size and
spatial distribution of particles in the substrate surface.
After establishing the solution spray model, the impacts of carrier gas on plasma
jet field, particle trajectory and heating process are analyzed when droplets were
transported by carrier gas. And the impacts of carrier gas velocity and droplets nozzle
location on droplets trajectory and heating are discussed in the condition of the same
carrier gas injection position.
The research results provide some instructive suggestion for optimizing the plasma
jet process to get high quality coating.
The financial support of the National Natural Science Foundation of China (Project
50706027), the Scientific Innovation Foundation of Shanghai Education Commission
Project 09YZ206), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas
Chinese Scholars, and Shanghai Leading Academic Discipline Project (Project J50501)
is gratefully acknowledged.
Keywords: Plasma jet, Turbulence modeling, Solution spray, Particle
motion, Numerical simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论........................................................................................................... 1
§1.1课题的研究背景及意义........................................................................... 1
§1.1.1大气等离子喷涂（APS）................................................................2
§1.1.2溶液注入等离子喷涂（SPPS）...................................................... 3
§1.1.3真空等离子喷涂（VPS）................................................................4
§1.1.4等离子体喷涂方法比较................................................................... 4
§1.2课题研究发展及现状............................................................................... 4
§1.2.1溶液注入等离子喷涂实验研究....................................................... 5
§1.2.2溶液注入等离子喷涂数值模拟研究............................................... 6
§1.3本文的研究工作....................................................................................... 7
第二章 等离子体射流传热和流动的数值模拟..................................................... 9
§2.1湍流模型................................................................................................... 9
§2.1.1标准
k
模型.................................................................................. 9
§2.1.2 Realizalbe
k
模型........................................................................ 10
§2.1.3重整化群（RNG）
k
模型........................................................11
§2.1.4不同湍流模型比较......................................................................... 12
§2.2等离子体射流模型................................................................................. 12
§2.2.1模型描述......................................................................................... 12
§2.2.2计算域及边界条件......................................................................... 13
§2.2.3网格质量验证................................................................................. 14
§2.2.4 RNG 模型计算结果及分析.............................................................15
§2.3不同湍流模型计算结果比较................................................................. 17
§2.4入口温度和速度对射流卷吸空气的影响............................................. 19
§2.5工作气体组分对射流传热和流动的影响............................................. 20
§2.6本章小结................................................................................................. 21
第三章 液滴在等离子体射流内传热和运动的数值模拟................................... 22
§3.1液滴传热和运动理论............................................................................. 22
§3.1.1溶液喷雾方程................................................................................. 22
§3.1.2溶液在等离子体射流内的运动..................................................... 23
§3.1.3溶液在等离子体射流内的传热和传质......................................... 24
§3..2 溶液喷雾模型........................................................................................ 24
§3.2.1计算域及边界条件......................................................................... 24
§3.3基准模型计算结果及分析..................................................................... 26
§3.4液滴注入速度对等离子体射流和颗粒的影响..................................... 29
§3.4.1液滴注入速度对等离子体射流的影响......................................... 29
§3.4.2液滴注入速度对颗粒运动和加热的影响..................................... 30
§3.5 液滴注入角度对等离子体射流和颗粒的影响...................................... 31
§3.5.1液滴注入角度对等离子体射流的影响......................................... 31
§3.5.2液滴注入角度对颗粒运动和加热的影响..................................... 32
§3.6基体位置变化对等离子体射流和颗粒的影响..................................... 34
§3.6.1基体位置变化对等离子体射流的影响......................................... 34
§3.6.2基体位置变化对颗粒运动和加热的影响..................................... 35
§3.7 不同比例的气体组分对等离子体射流和颗粒的影响.......................... 38
§3.7.1不同比例的气体组分对等离子体射流的影响............................. 38
§3.7.2不同比例的气体组分对颗粒运动和加热的影响......................... 39
§3.8本章小结................................................................................................. 40
第四章 载气对等离子体射流及液滴传热和运动的影响................................... 42
§4.1模型描述................................................................................................. 42
§4.2载气对等离子体射流和颗粒的影响..................................................... 43
§4.2.1载气对等离子体射流的影响......................................................... 43
§4.2.2载气对颗粒运动和加热的影响..................................................... 44
§4.3载气速度大小对颗粒运动和加热的影响............................................. 46
§4.4本章小结................................................................................................. 48
第五章 结 论......................................................................................................... 49
主要符号表............................................................................................................. 51
参考文献................................................................................................................. 53
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..................................... 57
致谢......................................................................................................................... 58
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的研究背景及意义
随着现代工业技术的发展，工业工程中越来越多的零部件要求能在高参数（如
高温、高压、高速）和一些特殊的工况条件下（如抗氧化、抗疲劳、耐腐蚀等）
长期稳定地运行，这必然对零部件的性能提出了更高要求。通过依靠先进、精密
的机器设备，生产制造出这些能在特殊环境下运行的零部件显然是不经济的，甚
至可能是做不到的。所以，通过研究和发展材料的表面处理技术来提高材料的性
能，在技术和经济方面都具有重大的意义。
热喷涂技术就属于这种表面处理技术，是表面工程学中一门重要的学科分支。
所谓热喷涂，是指利用某种热源，如火焰、电弧、等离子喷涂等，将具有一定形
状的金属或非金属的喷涂材料加热到一定的状态，并最终将其喷射到基体材料表
面，与基体材料结合而形成具有各种功能涂层的一种技术[1]。
热喷涂技术目前尚无标准的分类方法，通常可以按照热源的种类、喷涂材料
的形态以及涂层的功能来分类。其中按照加热喷涂材料的热源种类来分类是目
前应用较普遍的分类方法，表 1-1 所示即为按照热源种类热喷涂技术的分类。
表 1-1 根据热源的种类热喷涂技术分类
热源种类
温度(K)
喷涂方法
火焰
约3000K
粉末火焰喷涂
丝材火焰喷涂
陶瓷棒材火焰喷涂
高速火焰喷涂(HVOF)
爆炸喷涂(D - GUN)
电弧
约5000K
电弧喷涂
等离子喷涂
10000 K 以上
大气等离子喷涂(APS)
溶液注入等离子喷涂(SPPS)
真空等离子喷涂(VPS)
从表 1-1 可以得出，等离子喷涂能达到的温度最高。另外，等离子喷涂所
形成涂层的致密性和与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂
层的要高，是制备陶瓷涂层的最佳工艺[2]。所以，在热喷涂技术的研究发展中，
溶液喷雾在热等离子体射流内传热和运动的数值模拟
2
对等离子喷涂技术的研究有着重要的意义。但由于等离子喷涂能达到的温度
高、喷射速度快的特点，其对喷涂设备的材料、性能以及喷涂过程的控制等各
方面的要求相对更高，研究难度相对更大。基于此，有必要通过数值计算的方
法对等离子喷涂工艺过程进行相关研究，以减少甚至避免实际喷涂过程中的一
些困难，这对优化喷涂工艺，获得高质量的涂层有一定的指导意义。
§1.1.1 大气等离子喷涂（APS）
大气等离子喷涂是利用等离子体火焰将喷入的固体粉末颗粒加热加速，使颗粒
能够达一定的状态撞击基板材料表面，在基体材料表面迅速变形铺展过程中快速
冷却形成涂层的过程，被广泛应用于热障涂层 ( Thermal Barrier Coating, TBC )的
制备。常用的等离子形成气体有氩气、氦气、氮气或者这几种气体的混合物，喷
入的粉末颗粒可以是氧化物陶瓷粉末、金属陶瓷粉末以及碳化物粉末等。由于喷
涂是在大气环境下进行的，同时为了与低压等离子喷涂法区分开来，故称其为大
气等离子喷涂法，如没有特殊说明，通常情况下所说的等离子喷涂方法都是指APS。
图1-1所示为大气等离子喷涂过程示意图。
图1-1 大气等离子体喷涂过程示意图
大气等离子体喷涂技术形成的涂层中含有大量气孔，有利于降低涂层的密度，
并保证涂层具有较低的热导率。但是，由于涂层整体为片层结构，而且片层之间
含有大量与基体表面平行的水平裂纹，导致涂层和机体表面结合力较差，从而降
低了涂层的力学性能，这在一定程度上限制了该技术的应用[3]。
随着纳米技术的发展，越来越多的学者更加关注于纳米涂层的形成，设法将纳
米材料的一些固有特性融入涂层中，从而获得比大气等离子喷涂更为优异的功能
性涂层。
摘要：

摘要溶液注入等离子体喷涂(SolutionPrecursorPlasmaspray，SPPS)技术是将溶液经过加压雾化，以喷雾的形式注入等离子体射流环境中，雾化的液滴在等离子体射流中加热加速到一定的状态后最终沉积在基体表面而形成涂层。溶液注入等离子喷涂技术为等离子喷涂技术提供了新的工艺，在制备高质量涂层方面具有较大的技术优势，是等离子喷涂制备高性能涂层材料的发展方向，具有很大的发展前景。溶液注入等离子体喷涂形成的涂层的质量与许多因素有关，其中关键性的因素是要保证颗粒能够得到有效的加热与获得较高的速度，因此有必要研究喷雾在等离子体射流内的运动轨迹和加热过程。本文首先建立了等离子体射流三维数学模型...

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