点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

超声速等离子喷涂颗粒加热熔化与细化过程分析

针对超声速等离子喷涂过程中颗粒撞击基体前熔化状态未知的问题,利用数值计算方法分析了单个颗粒在超声速气流中的加热熔化过程,并对颗粒的破碎细化行为进行了探究。计算考虑颗粒内部相变后,得到不同时刻颗粒内部的温度分布更加合理,通过分析得到了颗粒熔化界面随加热时间的变化曲线,其在0.35ms时完全熔化,这与实验分析结果相符。熔融颗粒在进入到高温高速等离子体射流中粒径会迅速减小,统计得到100mm处小于5μm的颗粒所占比例最大,超过了50%,与实验收集粒子的粒度分布一致。     

内送粉超声速等离子喷涂流场特性分析

应用流体控制方程、传热传质方程、粒子输运方程、Maxwell电磁场方程建立多场耦合数学模型,通过数值计算方法研究超声速等离子喷枪内外等离子体流动特性。所采用的内送粉三维模型包含阴、阳电极固体以及阳极边界层区域,考虑了等离子气体的电离与复合反应,以及局域热平衡效应,得到了超声速等离子喷涂在纯氩和氩氢混合气氛中的气流温度场、速度场分布以及电弧电压分布。结果表明:在加入氢之后,喷枪内等离子体温度提高了30%,速度提高了67%;喷枪外气流速度和温度在距喷嘴出口0~50mm间梯度变化大于喷涂距离50~100mm,且径向速度和温度梯度变化随着喷涂距离增大越来越小。计算得到的电弧电压与测量值相差4.4%,说明了考虑阳极边界层后计算模型的合理性。