冷喷涂喷枪的结构设计与优化

论文摘要

针对镁合金表面防腐、耐磨的需要,利用冷喷涂技术在镁合金表面制备了耐磨和防腐涂层。为了提高冷喷涂效率,本文根据流体力学和空气动力学的相关理论对超音速喷枪进行优化设计。应用FLUENT软件对拉瓦尔喷枪内的气体流动过程进行数值模拟,并对喷枪内气相速度、温度和压强分布进行分析,根据模拟结果改进喷枪结构,使强化材料流出速度达到最佳。冷喷涂技术的关键是通过拉瓦尔喷枪加速气流提高粉末的喷出速度,实现在基体表面的沉积。气体进口参数对出口气流速度有一定影响。在相同的喷枪结构下,进口速度的变化对出口速度的影响较小,尤其是进口速度低于50m/s时,其变化基本上不会使出口速度有大的改变。并且让进口气流压强有大的提高不易实现。提高出口速度的方式是以提高进口气体温度为主,适当提高进口压强。通过对模拟数据的分析,适当延长喷枪渐扩段的长度既可以降低出口温度,又可以提高出口速度。为了对喷枪内气体流动过程有更深入的分析,应用重整化群（RNG）k-ε模型对喷枪内流动过程进行数值模拟,对喷枪流道形状的变化,采用不均匀网格划分计算区域,并用二阶差分格式离散通用微分方程的对流相;然后用SIMPLE算法来求解气体的运动。跟据上述原理应用FLUENT软件对喷枪内的压强、温度、速度的分布做分析后,设计出最优的喷枪结构为:入口直径D1=15.2mm,出口直径D2=13mm,喉部半径Rcr=3.5mm;渐缩角α=30°,长度L1=20.9mm;渐扩角β=10°,渐扩段长度L2=50mm;总长L=70.9mm。然后,对优化设计的喷枪进行数值模拟,证明优化后喷枪的喷出速度得到了有效提高。最后,设计并制造了喷枪,喷涂实验证明了优化设计的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 超音速喷涂技术及应用
• 1.1.1 超音速喷涂技术发展概况
• 1.1.2 超音速喷涂技术原理
• 1.1.3 超音速喷涂技术的应用
• 1.2 冷喷涂技术的国内外发展现状
• 1.2.1 冷喷涂原理
• 1.2.2 冷喷涂工艺特点
• 1.2.3 冷喷涂涂层的特点及沉积特性
• 1.2.4 冷喷涂技术的应用
• 1.3 冷喷涂机理研究进展
• 1.3.1 冷喷涂涂层沉积机理研究进展
• 1.3.2 冷喷涂射流过程数值模拟研究进展
• 1.4 本课题的研究意义及内容
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第二章 冷喷涂Laval管的设计
• 2.1 引言
• 2.2 超音速喷枪气体动力学计算
• 2.3 气体热力参数计算
• 2.4 设计过程
• 第三章 喷枪内超音速气流的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.3 计算机的模拟过程
• 3.3.1 网格的化分
• 3.3.2 求解器
• 3.3.3 FLUENT计算过程
• 3.4 结果与讨论
• 第四章 喷枪的优化设计
• 4.1 为减小粘性附层面影响的优化
• 4.1.1 喷枪模拟的优化
• 4.1.2 气相模拟结果
• 4.2 对Laval喷枪渐扩段的优化
• 4.2.1 结构优化计算
• 4.2.2 气相模拟与讨论
• 4.3 对Laval喷枪渐缩段的优化
• 4.3.1 结构优化计算
• 4.3.2 气相模拟与讨论
• 4.4 喷枪的优化结果
• 4.5 优化结果的验证
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢