热喷涂中熔滴摊开凝固过程的ISPH模拟

论文摘要

光滑粒子流体动力学方法(SPH)是最近发展比较快的一种无网格的数值模拟方法,特别适合于研究多相流和大变形等复杂的流体问题。本论文研究了一种改进的不可压缩SPH方法(ISPH),利用泊松方程实现了不可压缩流体的压力场和速度场的耦合求解,较好地解决了SPH方法的时间步长受限的问题。本文考虑表面张力、热传递和凝固,利用不可压SPH模型研究熔滴在固体表面碰撞后变形、展开、传热和凝固的过程。采用范德华力模型模拟微小粒子的表面张力,同时建立了基于傅里叶传热定律的热传递模型,并在求得SPH粒子的内能和温度后,根据内能与温度的关系判断SPH粒子是固态、熔化状态或完全熔化的液态。计算结果与理论解的结果进行了定量的比较,误差比较小,证明本文的数值模拟结果与实际喷涂过程是相符的。利用该ISPH模型研究了热喷涂中熔滴在碰撞基板后的变形、传热和凝固过程,分别计算了熔滴与水平基板、倾斜基板、光滑基板、三角形粗糙基板、长方形凹槽粗糙基板等不同基板的相互作用。分析了熔滴的展开系数与基板的粗糙程度、倾斜角度等影响因素的关系。结果表明,随着基板倾斜角度增大,熔滴凝固后的展开系数显著增大；基板越粗糙,熔滴的展开系数越小

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 实验近似方法
• 1.2.2 数值模拟方法
• 1.3 本文的主要工作
• 2 数值方法模型
• 2.1 SPH/ISPH方法
• 2.1.1 SPH方法简介
• 2.1.2 ISPH方法的数学基础
• 2.2 表面张力的数学模型
• 2.3 熔滴传热、凝固模型和能量方程
• 2.3.1 凝固模型
• 2.3.2 传热模型和能量方程
• 3 数值模型的验证
• 3.1 ISPH方法的验证
• 3.2 表面张力模型的验证
• 3.3 本文所用模型的验证
• 3.4 本章小结
• 4 水平基板上熔滴摊开凝固的ISPH模拟与分析
• 4.1 熔滴在光滑平板上的摊开凝固模拟
• 4.2 熔滴在粗糙平板上的摊开凝固模拟
• 4.3 熔滴在另一种粗糙平板上的摊开凝固模拟
• 4.4 计算结果的对比分析
• 4.4.1 熔滴中间截面的参数分析
• 4.4.2 展开系数随时间变化的关系
• 4.4.3 光滑和粗糙基板上熔滴展开系数的对比
• 4.5 本章小结
• 5 倾斜基板上熔滴摊开凝固的ISPH模拟与分析
• 5.1 15°倾斜基板的模拟结果
• 5.1.1 15°倾斜的光滑基板情形
• 5.1.2 15°倾斜的三角形粗糙基板情形
• 5.1.3 15°倾斜的长方形凹槽粗糙基板情形
• 5.2 30°倾斜基板的模拟结果
• 5.2.1 30°倾斜的光滑基板情形
• 5.2.2 30°倾斜的三角形粗糙基板情形
• 5.2.3 30°倾斜的长方形凹槽粗糙基板情形
• 5.3 45°倾斜基板的模拟结果
• 5.4 60°倾斜基板的模拟结果
• 5.5 倾斜角度对熔滴展开系数的影响
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间所取得的主要科研成果