等离子喷涂涂层形成过程数值模拟

论文摘要

等离子喷涂涂层是由熔滴撞击到基底上铺展、凝固形成的层片堆积而成，本文建立了该过程的流体流动与传热耦合三维数学模型，采用计算流体力学软件(CFD)—Fluent，运用有限体积法求解流体流动和能量方程，流体体积跟踪法追踪熔滴自由表面，模拟了等离子喷涂熔滴在基底上撞击、铺展、传热、凝固和最终形成层片的过程，熔滴间和熔滴与层片间交互作用下形成涂层的过程，以及不同基底条件对层片形成过程的影响，并对结果进行可视化输出。层片形成过程的模拟结果表明，飞行中的熔滴压力场分布为前端中心高压区、两侧负压区，这导致了熔滴内部流体的流动；撞击开始后，熔滴内部的压力场呈“蘑菇云”状，撞击压力由最大值处—撞击点向熔滴上部递减；压力的最大值Pmax在撞击开始时刻出现，熔滴内部熔体铺展速度的最大值Vmax滞后0.03μs出现，二者都为撞击速度的函数，即Vmax=3υ0, Pmax=C ρ υ0；飞溅发生时刻速度的标量场由高斯分布发展为不对称分布，飞溅导致指状化层片的形成，最终形成的层片有压力残余。基底条件和撞击点位置对层片的形成过程和最终形貌有重要影响。基底上的突起比凹坑影响更明显，突起的影响随突起锐利度的减小而减小。基底热导率增加，熔滴铺展变小，层片变厚，指状化和飞溅现象减弱。倾斜基底上形成层片的轴比ψ、铺展比ξ和等效厚度d都是基底倾斜角度θ的二次函数，且ξ和d随θ的变化趋势相对应。熔滴交互作用下的撞击动力学模拟结果表明，随着平行两熔滴球心间距的增大，形成的突起越来越小，当球心间距增大至临界值时，熔滴间的交互作用可以忽略。撞击速度方向相邻两熔滴半径比的改变，直接影响了熔滴变形过程和最终形貌，其中半径比为1时，两熔滴的交互作用最明显，产生的飞溅最为严重，对涂层形貌影响大；当熔滴尺寸相差较大时，二者之间的相互影响明显减弱。由涂层形成过程的模拟结果可知，已凝固层片上熔滴铺展均匀，而熔体流动前沿和层片边缘的交互作用导致飞溅，甚至形成卫星层片。当熔滴撞击到未凝固层片上，产生严重飞溅，并形成冠状突起。随熔滴与层片相对位置的改变，熔滴变形过程和最终形貌都发生变化，并直接影响形成涂层的质量。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 等离子喷涂工艺
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 等离子喷涂原理及特点
• 1.2.3 等离子喷涂工艺应用
• 1.3 等离子喷涂数值模拟研究进展
• 1.3.1 等离子喷枪数值模拟
• 1.3.2 等离子射流数值模拟
• 1.3.3 等离子喷涂层片形成过程数值模拟
• 1.3.4 等离子喷涂涂层形成过程数值模拟
• 1.4 研究内容与意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究意义
• 第二章 数学模型与数值计算方法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 模型假设
• 2.1.2 控制方程
• 2.1.3 边界条件
• 2.2 计算流体力学软件—Fluent
• 2.2.1 Fluent 软件的组成
• 2.2.2 Fluent 解法器
• 2.2.3 Fluent 软件的功能和特点
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 控制方程的离散
• 2.3.2 求解控制方程的算法
• 2.3.3 自由液面跟踪
• 2.4 计算过程
• 第三章 等离子喷涂层片形成过程的数值模拟
• 3.1 层片形成过程流体动力学模拟
• 3.2 层片形成过程温度场的变化云图
• 3.3 层片形成过程速度场的变化云图
• 3.4 层片形成过程压力场的变化云图
• 3.5 压力和速度随时间的变化关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 基底条件对层片形成过程的影响
• 4.1 基底形貌对层片形成过程的影响
• 4.1.1 长方体状突起基底上的层片形成过程
• 4.1.2 四面体状突起基底上的层片形成过程
• 4.1.3 半球状突起基底上的层片形成过程
• 4.1.4 半球状凹坑基底上的层片形成过程
• 4.2 撞击点位置对层片形成的影响
• 4.2.1 长方体状突起基底上撞击点位置的影响
• 4.2.2 正四面体状突起基底上撞击点位置的影响
• 4.2.3 半球状突起基底上撞击点位置的影响
• 4.3 基底热导率对层片形成过程的影响
• 4.4 基底倾斜角度对层片形成过程的影响
• 4.4.1 倾斜基底上的层片形成过程
• 4.4.2 基底倾斜角度对层片最终形貌的影响
• 4.4.3 基底倾斜角度对层片与基底结合度的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 熔滴交互作用下的撞击动力学模拟
• 5.1 平行两熔滴的交互作用下的撞击动力学过程
• 5.1.1 两平行熔滴球心相距 2R 撞击在基底上的过程
• 5.1.2 两平行熔滴球心相距 3R 撞击在基底上的过程
• 5.1.3 两平行熔滴球心相距 4R 撞击在基底上的过程
• 5.1.4 熔滴球心间距不同对交互作用的影响
• 5.2 垂直两熔滴的交互作用下的撞击动力学过程
• 5.2.1 尺寸相同的垂直两熔滴的交互作用
• 5.2.2 尺寸不同的垂直两熔滴的交互作用
• 5.2.3 熔滴尺寸对熔滴之间交互作用的影响
• 5.3 混合状态多熔滴交互作用下的撞击动力学过程
• 5.4 本章小结
• 第六章 涂层形成过程的数值模拟
• 6.1 熔滴撞击到已凝固层片上的流体动力学过程
• 6.1.1 单熔滴在已凝固层片上的撞击动力学过程
• 6.1.2 单熔滴与层片的相对位置对涂层最终形貌的影响
• 6.1.3 两熔滴在已凝固层片上的撞击动力学过程
• 6.1.4 两熔滴与层片的相对位置对涂层最终形貌的影响
• 6.2 熔滴撞击到未凝固层片上的流体动力学过程
• 6.2.1 单熔滴在未凝固层片上的撞击动力学过程
• 6.2.2 单熔滴与未凝固层片的相对位置对涂层最终形貌的影响
• 6.2.3 两熔滴在未凝固层片上的撞击动力学过程
• 6.2.4 两熔滴与未凝固层片的相对位置对涂层最终形貌的影响
• 6.3 多熔滴与层片交互作用形成涂层过程的数值模拟
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文