等离子体电弧数值模拟的研究进展
等离子体电弧的数值模拟研究对其在工业中的应用有重要的意义.详细阐述等离子体电弧数值模拟研究的发展过程,分别包括自由等离子体电弧和约束等离子体电弧的研究进展,等离子体电弧数学模型的完善主要体现在假设条件的减少上;介绍等离子体电弧数值模拟的`方法与步骤,并指出ANSYS、FLUENT等数值分析软件都可以求解等离子体电弧数学模型;还提出综合考虑等离子体电弧的流动状态和三维约束等离子体电弧的数值模拟研究是未来的研究方向.
作 者：殷凤良 胡绳荪 高忠林 赵立志 YIN Feng-liang HU Sheng-sun GAO Zhong-lin ZHAO Li-zhi 作者单位：殷凤良,胡绳荪,高忠林,YIN Feng-liang,HU Sheng-sun,GAO Zhong-lin(天津大学,材料科学与工程学院,天津,300072)
赵立志,ZHAO Li-zhi(沈阳远大环境工程有限公司,辽宁,沈阳,110161)
1.1 等离子体显示器发展历史
在当今社会, 每分每秒都有大量的信息被传送, 大多是使用电脑或手机来传递信息, 而一个好的屏幕会给人带来好的心情, 也可以保护视力, 过去经常为阴极射线管 (Cathode Ray Tube, CTR) 这种显示器。但近几年来, 人们对小体积、大屏幕以及显示器的数字化程度要求越来越高, 阴极射线管显示器虽然具有视角宽、亮度高、价格低、色彩丰富等优点, 但由于其体、具有X射线、体积大和图像比较容易产生扭曲等, 让人们难以接受, 只有体积变得更小了, 厚度变得更薄了, 重量变得更轻了, 才能收到人们的喜爱。而平板显示器则具有以上优点, 收到了电子工业界的广泛关注, 平板电视种类繁多, 开发等离子体显示器 (Plasma Display Panel) 液晶显示器 (Liquid Crystal Display) 成为主流。现在以LCD, 也就是液晶显示器在市场中占有主导地位, 然而PDP在数字化大屏显示领域具有优势, 所以也具有极大的商机。本论文主要讨论等离子体显示器的放电过程, 讨论其放电过程对显示器的亮度以及放电效率的意义。
等离子体显示器是运用气体放电发光的装置, 十九世纪, 人们对等离子体有了初步的概念, 自从20世纪60年代中期, 许多科学家开始对等离子体做广泛而深入的研究。于1966年, 由美国Linois大学的科学家Bitzer和科学家Slottow研究并共同了发明真正的交流等离子体显示器, 过了四年后, 直流等离子体显示器也被制造了出来。又过了三年, 自扫描等离子体显示器也被相继的发明出来, 这归功于美国的布劳斯公司。越来越多的人开始使用这种新型的电视。直到进入了20世纪90年代, PDP的制造工艺已经非常娴熟了, 等离子体显示器 (PDP) 这种技术被公认最适合作为高清电视。1996年被称为等离子体电视时代的起点, 到1997年, 日立、NEC、先锋、松下等公司相继推出了大屏幕的彩色等离子体电视产品。除日本之外, 韩国有LG、origin、三星, 台湾有中华映管、Acer, 法国有Thomson。这些企业都在加速设计和生产, 已超过了20多亿投资建立等离子体显示器生产线。美国的斯坦福资源公司预测:增长最快的平板显示产业是彩色等离子体显示器。
1.2 等离子体显示器的优缺点
1.2.1 等离子体显示器有以下几种优点
(1) 由于等离子体显示器非常薄, 所以它的重量也很轻, 还可以挂在墙上, 节约了很多空间。
(2) 等离子体显示器是惰性气体放电, 所以在亮度方面, 液晶显示屏便比不过等离子体显示屏, 而且等离子体显示器的视角更为广阔, 目前的技术已经超越160度。
(3) 最大的特点便是屏幕大、具有数十万计的等离子管。最大的彩色等离子体显示器已经大于60英寸, 分辨率也早以大于一千线, 二十四位, 有一千七百六十万种色彩。
(4) PDP显示装置很大的特性数有很强的非线性。是能够处理的很小的单元, 从而将照明单元被打开具有很强的非线性, 但气体放电具有很强的非线性, 放电单元内的电压大于一定数值时, 也就是当电压大于点火电压, 这些惰性气体维持放电。因此, PDP是非常适合于数字显示。
1.2.2 等离子体显示器有以下几种缺点
(1) 对于屏幕尺寸来说, 很多的等离子电视屏幕大于37英寸, 但大批的气体相对很难挤进狭小的屏幕中, 如果32英寸等离子电视屏幕过小, 达不到理想的经济效果。
(2) 分辨率。等离子体显示器的分辨率也不是很高, 相比液晶电视来说, 还是差了一些, 某些厂家偷工减料, 使用ED这种成本低廉的显示屏, 所以现在等离子电视的使用率越来越低, 但科学家报道, 如果远距离观看, 等离子体显示器和液晶显示器的区别, 人眼是分辨不出来的。
(3) 在电视的对比度方面。等离子显示屏电视的对比度比液晶电视变得更高, 等离子电视可以达到3000:1的对比度, 而液晶电视会小很多, 但在光线很好的地方, 液晶电视的对比度将会超过等离子体电视。
2 数值模拟软件FSSP
2.1 数值模拟软件的结构与功能
为了提高软件的适用性以及可扩充性, 该软件使用了模块化设计, 图1为软件的基本结构模块。
该数据库包含的各种粒子, 例如粒子的质量、电荷粒子的质量、粒子的能级、粒子的迁移系数和扩散系数和其他信息。某些参数和具体的架构无关的方程和不同气体反应方程系数。
输入模块包括输入模块结构, 反应粒子输入模块和一个外部电压输入模块。用之前编制好的网格软件来完成结构输入模块, 该软件可以生成新的网格发生的荫罩式结构, 表面放电结构和放电, 以2D和3D网格结构, 具有相对较好的通用性。适合于输入驱动电压脉冲和周期, 并将该反应粒子输入模块的尺寸的外部电压输入模块用于输入模拟分量和气体的比率。
计算模块使用多线程方式中, 主计算线程和控制接口的线程分别, 可以随时控制计算过程。同时, 计算模块还可以恢复、暂停、终止, 读来再计算, 很多时候由于程序复杂计算时间会非常长, 有了暂停、读取这些功能, 可以节省很多时间, 软件的实用性很高。
输出模块是视觉输出, 对话框和图形可以被同时显示在实时放电过程中, 以方便用户理解的各种情况的排出。
2.2 数值模拟软件的计算、输出模块
整个计算控制部分全是通过计算菜单项完成。计算的开始及中止, 体验者可以通过菜单项来控制。在计算完成后可以使用重新开始项, 体验者如果想要重新开始模拟一种新的结构, 但读取存储项是考虑计算时间较长, 按读取存储项是当需要暂停浏览数据时, 也可以按此按键继续计算。存储计算项是可以保存任意时刻的计算信息, 中止计算项是中止计算, 并保存最后时刻的各项信息。
在选项菜单中, 可以计算出事先计算或中间, 选择电子和离子分别计算, 结果是一个动态的对话或图形模式。图形菜单项可选择监视电子或是其他粒子的平均浓度的变化情况。还可调用Mathcad观察各种电场、电位、粒子浓度等分布情况。
3 结语
等离子体显示器具有屏幕大、重量轻、厚度薄、视角宽、图像质量高等优点, 工作在全数字化模式, 受到广泛专注, 被认为是最适合做大尺寸高清晰显示的终端显示器。近几年, 等离子体显示器由于高清显示、多视角、快速响应、低视觉疲劳等优点成为了能够适应3D显示以及智能电视需求的优势技术。
参考文献
[1]杨兰兰.等离子体平板显示器放电特性的数值模拟[D].南京:东南大学, 2003.
[2]张健.荫罩式等离子显示板放电性能的理论研究[D].南京:东南大学, 2005.
[3]作者不详.保护膜对PDP放电效率的影响研究[D].天津:天津工业大学, 2014.
采用华北地区采暖期间典型计算日内的逐时气温,将计算范围扩至建筑墙体外表面,所建的物理模型和各种材料的物理性质都与实际相符.通过数值计算方法,将建筑围护结构表面换热过程视为一个动态系统,大大提高了精度,为建筑热工分析和采暖负荷计算提供了可行和准确的`计算方法.
作 者：胡静 杜明星 HU Jing DU Ming-xing 作者单位：胡静,HU Jing(天津城市建设学院,热能工程系,天津 300384)
杜明星,DU Ming-xing(天津理工大学,自动化与能源工程学院,天津 300191)
在三峡工程二期下游围堰拆除爆破中,其难点问题为混凝土防渗墙的一次性爆破拆除成功.由于混凝土防渗墙内有预埋的灌浆钢管及固定钢管的保持架,这种结构在以往的.围堰水下防渗墙爆破拆除工程中是没有先例的.如果混凝土防渗墙爆破拆除仅仅只将混凝土爆碎,而钢管不炸断、保持架不松散则会使爆渣的水下开挖无法进行,因此将混凝土预埋灌浆钢管炸断及保持架炸散是关系到二期下游围堰拆除爆破成败的关键问题.针对这一问题,利用ANSYS/LS-DYNA计算软件和现场试验,研究了不同装药结构、药包直径等因素对钢管爆炸破坏效果的影响,讨论了钢管爆炸炸断破坏形态与装药结构之间的关系,在此基础上确定钢管爆炸炸断破坏的合理爆破参数及装药结构形式.二期围堰爆破拆除结果表明研究成果是可靠的.
作 者：李新平代翼飞 刘金焕 曾明 刘立胜 张开广 作者单位：李新平,代翼飞,刘立胜(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,武汉,430070)
刘金焕(大渡河流域水电开发有限公司,成都,610016)
曾明,张开广(葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部,宜昌,443134)
脉冲爆震火箭发动机数值模拟研究
脉冲爆震火箭发动机是一种利用脉冲式爆震波产生高温、高压燃气发出的冲量来产生推力的新型推进系统.与常规液体火箭发动机相比,脉冲爆震火箭发动机具有更高的性能,并且结构更简单.本文应用特征线法给出一维爆震波在爆震管内的传播过程的`解析解.对爆震波到达爆震管口后发动机的非定常排气流动过程进行了二维数值模拟,并对比了无喷管和带3种不同形式喷管(收敛喷管、收敛扩张喷管和扩张喷管)对发动机推力等性能参数的影响.
作 者：李强 范玮 严传俊 Li Qiang Fan Wei Yan Chuanjun 作者单位：西北工业大学,动力与能源学院,西安710072刊 名：机械科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：25(10)分类号：V231.22关键词：脉冲爆震火箭发动机 爆震 喷管 数值模拟
等离子喷涂技术是一种热喷涂技术,目前已广泛应用于航天、航空、冶金、机械等领域[1,2,3]。而纳米材料由于结构的特殊性而具有的一般材料难以获得的优异性能,为等离子喷涂涂层性能的提高提供了有利的条件,但由于纳米颗粒材料尺寸(1～100nm)和质量太小,且喷涂过程中容易发生烧结,因此不能直接用于等离子喷涂,实际使用中是将纳米颗粒材料制备成具有一定尺寸、能够直接进行等离子喷涂的纳米团聚体粉末。近年来的研究表明,与传统涂层相比,等离子喷涂纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面有显著改善,且部分涂层可以同时具有上述多种性能[4,5]。
等离子喷涂纳米团聚体粉末中,在涂层中保留一定比例的纳米颗粒是一个基本目标,同时为保证涂层的黏结强度需要使粉末有适当的熔化程度[6],这与常规等离子喷涂希望获得完全熔化的粉末有一定区别。但是在等离子喷涂过程中,等离子射流的温度很高,可达104 K量级,且射流存在很大的温度梯度,而喷涂所用纳米团聚体粉末的直径一般只有几十微米,而且粉末在射流中停留的时间极短(ms量级),因而要使粉末获得合适的熔化程度并不容易。但粉末在等离子焰流中的熔化情况对涂层的性能如显微组织、孔隙率、结合强度以及喷涂的沉积效率等有着重要的影响[7],因此研究等离子喷涂过程中纳米团聚体粉末的熔化状况对预测涂层性能、获得性能良好的纳米结构涂层有着十分重要的理论和工程应用价值。
关于等离子喷涂常规粉末熔化过程的数值模拟已有研究报道[7,8,9,10,11],而针对纳米团聚体粉末熔化过程的数值模拟研究还很少[12,13]。本文利用ANSYS软件,以美国Inframat公司制备的牌号为Nanox S4007纳米团聚体ZrO2-7%Y2O3(7%为质量分数)粉末为研究对象,在分析粉末在等离子射流中的传热过程基础上,建立了等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化过程模型,分析了粉末直径和喷涂距离对粉末熔化的影响。
1 等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化过程模型的建立
1.1 等离子喷涂纳米团聚体粉末制备纳米结构涂层过程
图1为等离子喷涂纳米团聚体粉末示意图。在等离子喷涂过程中,以单个熔融团聚体粉末为形成涂层的基本单位,单个粉末的行为包括三个基本过程:先是粉末送入等离子弧焰流的过程;接着是粉末与等离子弧焰流的相互作用过程,在等离子弧焰流的作用下,粉末被加热、熔化;最后是高温高速熔融粒子与基体(或已沉积形成的涂层)的过程,包括熔融粉末与基体的碰撞、横向流动扁平化和急速冷却凝固。纳米团聚体粉末受到的热作用可以分为以下三种情况:当等离子弧焰流温度较高,粉末直径较小时,粉末被完全熔化;当等离子弧焰流温度较低,粉末直径较大时,粉末基本未被熔化;处于两者之间的粉末则表面部分被熔化,其内部处于未熔化的纳米颗粒状态。在优化的等离子喷涂工艺参数下,可以获得一定比例纳米颗粒熔化后重结晶得到的基体相和未完全熔化的纳米颗粒嵌入相组成的特殊两相结构的纳米结构涂层[14]。
1.2 等离子喷涂过程温度与速度模型
在等离子喷涂过程中,由于粉末在射流中停留的时间极短(ms量级),由重力引起的y方向位移很小(μm量级),为简化模型,忽略粉末在y方向的位移,即假设粉末只沿着喷嘴中心线飞行。根据文献[11],在喷嘴中心线,等离子弧焰流的温度T和粉末速度v分布可近似为
式中,Ti为喷嘴处温度;vi为喷嘴处粉末速度;x为到喷嘴的距离;x0为距离因子参数。
为建模方便,把空间域转换为时间域,由式(1)、式(2)可得粉末飞行到距离喷嘴x时所用时间:
由于粉末直径很小(几十微米),忽略粉末四周等离子弧射流的温度梯度,则由式(1)～式(3)得,粉末飞行时间为t时粉末到喷嘴的距离及粉末周围等离子弧射流温度分别为
1.3 等离子喷涂传热模型
由热传导理论,物体传热现象可以用Fourier传热方程来描述,它反映物体和周围环境交互作用的边界条件,材料中的能量传递过程是由等离子弧先加热粉末表层,再由表层传递到内部:
式中,ρ为密度;λ为热导率;c为质量热容;H为相变(熔化)潜热。
纳米团聚体粉末为球形,由于粉末体积很小,因此忽略球四周等离子弧射流的温度梯度,球体受热均匀,以球心为坐标原点,球内不同位置处的温度变化可用一维热传导方程来描述[8]:
式中,r为到粉末中心的距离。
在粉末表面存在等离子体与粉末热交换,即
式中,R为粉末半径;TP为粉末表面温度;Tf为粉末周围等离子体温度;α为等离子体表面热传系数,可用Rauz-Marshell公式计算;ρf、cf、μf、λf分别为等离子体的密度、质量热容、动力黏度和热导率。
相变潜热的处理方法是通过定义材料随温度变化的热焓来考虑熔化和凝固潜热的[15],即
H=∫ρ cdT (10)
1.4 材料热物性参数
计算中所用粉末是采用喷雾干燥法制备的美国Inframat公司生产的牌号为Nanox S4007的纳米团聚体YPSZ(Yttria Partially Stabilized Zirconia)粉末,其名义成分为ZrO2-7%Y2O3。该粉末加工具体过程为:首先将原始直径为30～80nm的纳米颗粒配成胶状悬浮液,在加入一定的添加剂后,对该胶状悬浮液进行喷雾干燥;然后将上面得到的小颗粒先后进行250 ℃左右的低温烧结和1000 ℃左右的高温烧结,获得球状的微米级纳米团聚陶瓷粉末,图2是相应的纳米团聚体粉末形貌。从图2a可见,团聚体粉末为很好的球形,且尺寸基本分布在40～100μm之间,从图2b可以看出,经过烧结后粉末的表面纳米颗粒已经有所长大,从图2c粉末的内部形貌可以看出,经过烧结后内部纳米颗粒几乎没有长大,基本维持了原始的纳米颗粒粒径,另外从图2中可以看出,粉末内部的孔隙率较高,由粉末的松装密度得到其孔隙率为0.7左右。
为了方便建模,对纳米团聚体粉末作如下理想化假设:①组成纳米团聚体粉末的所有纳米颗粒为直径相等的球形纳米颗粒;②纳米颗粒为规律排布,即纳米颗粒排布是有序的。这样就很容易将纳米团聚体粉末中纳米颗粒的排布模型与成熟的晶体结构理论联系起来,对于孔隙率较高的纳米团聚体粉末,可认为是存在一定比例纳米颗粒空位的排布方式。
材料的热物理性能参数对纳米团聚体粉末熔化的计算有至关重要的影响,它们的数值直接影响着粉末熔化的程度。ANSYS程序中以表格的方式给定各典型温度处的参数值,利用插值法和外推法确定各未知温度处的值。YPSZ的热物理性能参数参见文献[16]。纳米团聚体粉末中纳米颗粒间的孔隙不利于传热,我们一般考虑孔隙中的气相和固相纳米颗粒之间的辐射传热、纳米颗粒与纳米颗粒之间的接触传热,而在常压下,气体热导率远低于固体和液体热导率,因此纳米颗粒间的接触热导率在纳米团聚体粉末的有效热导率中占主导地位,其热导率用麦氏方程[17]计算,对密度和质量热容等热物理性能参数,通过乘上相应的比例因子来调节:
p2=(1-ϕ)p1 (12)
式中,λ1为致密材料热导率;λ2为折算的材料热导率;ϕ为孔隙率;p1为致密材料的密度或质量热容等热物性参数;p2为折算的材料密度或质量热容等。
1.5 几何模型和网格划分
为了能够准确地反映等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化过程,需要较小的网格尺寸,以获得足够的计算精度,同时为了避免过多的网格划分引起计算时间过长,又鉴于粉末表层有较高的温度梯度及模型的对称性,在建模过程中,按1/8球体建模,模型内部用粗网格划分,表面用细网格划分,所建立的有限元模型见图3。
2 数值计算结果与分析
2.1 粉末熔化过程计算结果
应用ANSYS的参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)建立了等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化过程模型,计算了纳米团聚体YPSZ粉末在等离子喷涂过程的熔化过程。模拟计算的参数为:纳米团聚体粉末直径为70μm,粉末孔隙率为0.7,粉末初始温度为80℃,粉末初始速度(喷嘴处)为250m/s,等离子焰流温度(喷嘴处)为15 000K,等离子体表面热传系数为5000W/(m2·K),喷涂距离为100mm,距离因子参数为0.2。在此参数下,纳米团聚体粉末从喷嘴飞行到基板的时间为0.446ms。
图4分别为等离子喷涂过程中纳米团聚体粉末飞行0.134ms、0.290ms、0.446ms时(从离开喷嘴开始计时)的温度场云图,可见随着粒子飞行时间的增加,由于粒子周围等离子射流加热作用,使得粉末整体温度越来越高,图4中温度高于2480 ℃(YPSZ熔点)的区域为熔化区。
图5所示为纳米团聚体粉末上不同点的热循环曲线,可见在0.106ms时粉末表面达到2480℃,粉末开始熔化,随着时间的推移,液相线向粉末中心推移。从粉末表面点的热循环曲线可以看出,开始阶段由于粉末与等离子体间有较大的温差,升温较快,随着温差的降低,升温速度越来越慢;另外在粉末飞行后期表面出现了略微降温,这是因为等离子焰流离喷嘴越远,温度越低,在离喷嘴足够远时甚至会低于粉末表面温度。从中心点的热循环曲线可以看出:在开始阶段升温很慢,这是由于YPSZ本身的热导率很低,再加上纳米团聚体粉末较高的孔隙率,使其热导率进一步降低,热量较难从表面传递到内部,因此表面和内部的温差很大;在后期随着加热时间的增加,中心温度慢慢升高,与表面温差也开始减小。
图6所示为0.446ms时(粉末飞行至基体)纳米团聚体粉末径向温度分布曲线,此时中心温度为1971℃,表面温度为2998℃,在距离中心21.1μm处的温度为2480℃,即粉末熔化的厚度为13.9μm,熔化体积占粉末总体积的78.1%。
2.2 粉末直径对粉末熔化的影响
图7所示为不同直径粉末在0.446ms时(粉末飞行至基体)粉末径向温度分布曲线。从图7中可以看出,粉末直径越大,粉末中心和表面温度越低;对于直径为40μm的粉末,飞行至基体时粉末中心温度在2700℃左右,整个粉末已经完全熔化,失去了希望保留的纳米颗粒;对于直径为100μm的粉末,只有表面一薄层熔化,在粉粒撞击基体时,球形粉末不能在基体表面较充分铺展开而形成较大的孔隙,另外由于熔化不充分,结合力也较差。
由于制造工艺的限制,一般而言,喷涂纳米团聚体粉末中包含不同直径的粉末,呈正态分布。由于在相同的工艺条件下不同直径的粉末熔化状态不同,如图7所示,直径小的粉末已充分熔化,但直径大的粉末只有一薄层熔化,这样很难使粉末处于大致相同的熔化状态,从而影响到涂层质量。当调整工艺参数使直径大的粉末有合适的熔化状态时,直径小的粉末已完全熔化甚至蒸发,因此粉末粒度大小分布范围不宜过宽。
2.3 喷涂距离对粉末熔化的影响
图8所示为不同喷涂距离下粉末飞行至基体时粉末径向温度分布曲线。从图8中可以看出,随着喷涂距离的增加,粉末表面与中心的温差逐渐减小,从喷涂距离为80mm时的超过1300℃减小到120mm时的不足500℃;另外,在喷涂距离较小时,由于粉末加热时间较短,粉末熔化不充分,在喷涂距离为80mm时粉末熔化厚度较小;随着喷涂距离的增加,粉末得到了充分的加热,在喷涂距离为120mm时粉末已基本完全熔化,且喷涂距离为120mm时比喷涂距离为100mm时粉末表面温度有所降低,如果再增大喷涂距离,则粉末温度将进一步降低,当表面温度低于2480℃将出现凝固,因此对等离子喷涂纳米团聚体粉末,有一个合适的喷涂距离。
3 等离子喷涂纳米团聚体粉末熔化特性的实验结果
实验用基体材料为钢铁研究总院高温材料研究所熔炼的γ-TiAl基合金(TAC-2),其名义化学成分为Ti-46.5%Al-2.5%V-1%Cr(46.5%、2.5%、1%均为原子分数),试样尺寸为20mm×16mm×5mm,喷涂前试样经打磨、除油、喷砂处理。等离子喷涂在美国普莱克斯公司生产的3710型等离子喷涂系统上进行,为了缓解YPSZ陶瓷与TiAl合金之间较大的物理性能差异,以北京矿冶研究总院金属材料所生产的粒度为-140～+325目、名义成分为Ni-20%Co- 18%Cr-15%Al-2%Y2O3(20%、18%、15%、2%为质量分数)的KF-113A合金粉末作为过渡层,以松弛应力,避免涂层开裂,喷涂工艺参数见表1(与计算参数相当)。涂层横截面的SEM形貌采用S-3400N型(HITACHA)扫描电子显微镜观察。
图9为喷涂后涂层的横截面SEM形貌图,从图9可以看出,喷涂后的涂层由纳米颗粒完全熔化后重结晶得到的基体相(F区)和未完全熔化的纳米颗粒嵌入相(P区)两部分组成,这与很多学者在等离子喷涂纳米结构涂层中观察到的两相结构是一致的[18,19,20]。虽然纳米团聚体粉末在等离子喷涂过程中经历了高温作用,但由于粉末在射流中停留的时间极短,对于末完全熔化的纳米颗粒,在等离子焰流中发生晶界吞并长大的驱动力在极短的时间内不足以使纳米颗粒长大[14],因此在喷涂后的涂层中仍保留着一定比例的经过一定长大但仍保持纳米尺度的纳米颗粒。从图9中P区与图2c原纳米团聚体粉末内部形貌的比较可以看出,经历了等离子喷涂过程中等离子焰的高温烧结,纳米团聚体粉末内部(P区)的致密性明显提高。
4 结论
(1)根据等离子喷涂传热的特点,利用ANSYS有限元软件,建立了等离子喷涂纳米团聚体YPSZ粉末熔化过程模型,分析了粉末直径和喷涂距离对粉末熔化状态的影响。
(2)在本数值模拟条件下,在等离子喷涂过程中,直径小于40μm的纳米团聚体粉末将完全熔化甚至烧蚀,直径大于100μm的纳米团聚体粉末只有表层一薄层熔化,粉末熔化不充分,而直径在70μm左右的纳米团聚体粉末能获得较好的熔化状态,因此要获得适合且均匀熔化状态,粉末粒度大小应在70μm左右且分布范围不宜过宽;喷涂距离小于80mm使粉末熔化不充分,喷涂距离大于120mm时,粉末几乎完全熔化。
(3)在优化的等离子喷涂工艺参数下,获得了一定比例纳米颗粒熔化后重结晶得到的基体相和未完全熔化的纳米团聚颗粒嵌入相组成的特殊两相结构的纳米结构涂层。
摘要：根据等离子喷涂的传热特点,利用ANSYS有限元软件,建立了等离子喷涂纳米团聚体ZrO2-7%Y2O3(7%为质量分数)粉末熔化过程模型,分析了粉末直径和喷涂距离对粉末熔化状态的影响,为优化喷涂工艺参数提供了理论依据。在优化的等离子喷涂工艺参数下,获得了一定比例纳米颗粒熔化后重结晶得到的基体相和未完全熔化的纳米颗粒嵌入相组成的特殊两相结构的纳米结构涂层。
沟槽型面减阻特性数值模拟研究
基于人工压缩性方法,时间项采用隐式离散、对流项采用基于Roe近似Riemann解的迎风格式,研究了三维不可压粘性流动的数值模拟方法,湍流模型采用Baldwin-Barth一方程模型,利用所发展的`不可压粘性流数值模拟方法,对典型几类V型、间隔三角型和U型沟槽型面的不可压粘性流场进行了数值模拟计算研究,探索了上述几类沟槽型面参数对湍流减阻特性的影响规律,从表面摩阻、速度场等方面分析了上述几类沟槽型面的减阻作用机理.研究结果表明:上述典型沟槽的减阻效果可以分别达到7.6%,10.5%和5.0%,与国内外相关实验结果符合一致,所发展的计算方法是成功的、可行的.
作 者：余雷 杨旭东 YU Lei YANG Xu-dong 作者单位：西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072刊 名：航空计算技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：39(1)分类号：V211.3关键词：沟槽面 减阻 湍流 人工压缩性方法
在所有的电弧热源中, 钨极氩气保护电弧的特点是热量集中, 能量密度介于自由电弧和压缩电弧之间, 因此称之为“不完全等离子弧”。这种“不完全等离子弧”与传统等离子弧相比具有以下几个特点:1) 不完全等离子弧的温度 (3000~5000℃) 要远远低于传统等离子弧 (3000~100000℃) , 因此可以降低基体与熔覆层的熔合比, 提高熔覆层的质量;2) 不完全等离子弧在进行熔覆时, 工件被氩气包围, 加热、冷却过程中无氧化、烧损现象, 适于各种材料。一般实行手工操作, 灵活性高。因此, 对一些难以实现激光熔覆的大件 (如高压阀阀座) 、基体形状复杂件、野外装备维修作业的现场熔覆等方面均可适用。但是, 这种热源的电弧宽度有限, 对实际零件进行修复时需要反复加热, 将会增大对零件的热损伤, 降低零件的疲劳强度和使用寿命。
本文提出采用一种新型的“不完全等离子宽弧”作为电弧熔覆热源。宽带电弧是将三个独立的电弧合并, 每个电弧具有单独的保护气体和熔覆粉末输送装置, 通过调节三个电弧的距离和角度, 实现在保证电弧宽度的前提下, 平稳引弧, 整个弧柱区内能流均匀、稳定, 以确保熔覆层性能和质量的均一性。该宽带电弧可大大提高熔覆效率。
1 不完全等离子宽弧特征
图1为不完全等离子宽弧熔覆原理示意图。
由电工学可知, 当电流在一个导体中流过时, 整个电流可看作由许多平行的电流线组成, 这些电流线间将产生相互吸引力, 使导体截面有收缩的倾向。对于固态导体, 此收缩力不能改变导体外形, 但对于液态或气态导体。其将产生截面收缩, 这种现象称作电磁收缩效应。所产生的力称作电磁收缩力或电磁力。
由于本文中宽带电弧是由3个独立的电弧组合而成, 在电磁收缩力的作用下很容易出现三个电弧叠加合并成一个电弧的现象, 这样不仅会缩由3个独立的电弧组合而成, 小宽带电弧的宽度, 影响工作效率, 更重要的是叠加后的宽带电弧的静电压力值过高, 会给熔覆工艺带来较多负面影响, 如飞溅过大, 能流密度过高造成焊缝成型不好等等。因此, 三个钨极之间需保留一定的距离及角度, 这样就能有效避免电弧合并现象的发生, 同时也能保证电弧的宽度, 提高工作效率。
2 宽带电弧的引弧机理
既然宽带电弧是由3个独立的电弧组合而成, 那么就存在三个电弧引燃顺序的问题。本文尝试了以下几种引弧方式:
1) 三个电弧同时引弧。这种引弧方式不能得到性能和质量均匀的熔覆层。这是由于三个电极与工件之间的距离不可能完全相等, 也就是三个电弧的空载电压不同, 因此三个电弧产生电磁收缩效应的程度是不同的。这就会造成宽弧能量不均匀, 甚至会出现3个电弧合并成一个弧的现象。合并后的电弧能量过高, 不仅会引起飞溅及焊缝成型不好等负面影响, 更严重的后果是增大融合比, 影响熔覆层性能和质量。
2) 先同时引燃中间弧和一侧电弧, 再引燃另一侧电弧。这种引弧方式也很难保证电弧的宽度, 以及宽带电弧的能量均匀性, 因此很难得到性能和质量优良的熔覆层。
3) 先引燃中间弧, 再同时引燃两边电弧。这种引弧方式, 通过调节三个电弧之间的距离和角度, 可以控制两两电弧在能量和电弧力薄弱的区域叠加, 既能够保证电弧的宽度, 同时也能够保证电弧的稳定性和弧柱区域的能量均匀性, 从而得到性能和质量都良好、均匀的熔覆层。图2为采用这种引弧方式得到的熔覆层照片, 不难看出, 熔覆层美观均匀, 并且通过性能测试可知, 整个熔覆层的性能都比较均匀, 且融合比低。也就是说, 该引弧方式得到的熔覆层能够满足零件修复和再制造的要求。同时, 该宽带电弧一次熔覆得到的熔覆层宽度可达30~40mm, 大大提高了修复效率。
3 结论
1) “不完全等离子宽弧”是由三个钨极氩气保护电弧组合而成, 每个电弧具有独立的送粉和冷却装置, 三个电极之间的距离和夹角在一定范围内可调, 从而保证了电弧的宽度, 提高了工作效率, 同时也避免了三弧合并现象的发生, 保证了不同工艺条件和工作环境下熔覆工艺的顺利进行。
2) 该宽带电弧的引弧特点是:先引燃中间弧, 再同时引燃两边电弧。这种引弧方式不仅能够保证电弧的宽度, 而且也能够保证电弧的稳定性和弧柱区域的能量均匀性, 从而得到性能和质量都良好、均匀的熔覆层。
摘要：利用一种新型的“不完全等离子宽弧”作为电弧熔覆热源, 该宽带电弧由3个独立的电弧组合而成, 可大大提高熔覆效率。本文通过分析电弧特征, 提出三个钨极之间需保留一定的距离及角度, 以保证平稳引弧, 整个弧柱区内能流均匀、稳定。试验研究结果表明, 引燃宽带电弧时, 需先引燃中间弧, 再同时引燃两边电弧, 以得到性能和质量都良好、均匀的熔覆层。
关键词：宽带电弧,电弧特征,形弧过程
参考文献
[1]杨春利.电弧焊基础.哈尔滨工业大学出版社, 2003.
[2]周玉生.电弧焊.机械工业出版社, 1994.
[3]易春龙.电弧喷涂技术.化学工业出版社, 2006.
随着社会的发展, 人们生活水平的提高, 对冷藏箱的需求也越来越大, 同时对冷藏箱的要求也越来越高, 不仅要求能够更好的保存物品的质量, 而求要求能够节能和环保。如何设计能够更好地满足用户要求的冷藏箱是各个生产厂家面临的主要问题。目前冷藏箱仍然面临着一些问题, 比如箱体内部温度场不均匀, 某些部位温度超标, 影响了物品的保存;压缩机的频繁开停机以及外界环境通过壁面和门封向箱体内部的漏热导致冷藏箱耗能的增加等问题, 严重影响着冷藏箱的发展。因此如何更加有效快速的对冷藏箱箱体的结构进行优化, 来改善冷藏箱的性能, 是国内外学者以及公司设计人员的研究重点[1,2]。
许多企业在设计冷藏箱时还是采用传统的实验方法, 不仅耗时耗力, 而求很难达到预期的效果。随着计算机技术与数值传热学的结合, 计算流体力学软件CFD得到快速的发展, 也已运用到了冷藏箱的设计以及结构优化中去, 不仅能够缩短设计周期, 而且节省了大量的财力。目前, 国内外的研究人员在设计冷藏箱时应用CFD有了很多的研究成果。
1 冷藏箱箱体内温度场与流场分析
冷藏箱箱体内温度场与流场的分布是否均匀, 不仅影响着保存物品的质量, 而且影响着冷藏箱的功耗。温度场与流场的优化如果仅仅靠做实验的方法来进行, 不仅周期较长, 而且需要大量的人力物力, 不符合企业的利益;因为与温度场和流场的分布有关参数有多个, 工作量太大, 而且如果要测量流场需要布置大量的传感器, 这样做又破坏了箱体内温度场与流场的分布[3]。数值模拟仿真能够较真实的模拟箱体内的温度场与流场的实际分布情况, 已成为研究人员进行流场计算与优化的重要工具, 为冷藏箱箱体的结构优化提供了依据。
为了能够使模型简单, 考虑到箱体结构的对称性, 很多学者对箱体的二维温度场与流场进行了研究。凌长明, 陶文铨建立了冰箱非稳态自然对流换热的二维计算模型, 分析三个互不相通空腔内的自然对流换热情况, 计算了周期性非稳态工况下温度场和流场的分布[4]。
上海交通大学的丁国良等使用有限元软件FIDA7.6, 模拟了冰箱二维稳态自然对流空气流场分布情况, 并研究了内部热负荷、隔板以及蒸发器和门之间的间距、内部隔板的导热系数对箱体内部温度场和流场分布的影响[5]。
周湘江等针对冰箱周期性非稳态传热的特点, 把导热、对流和辐射作为整体耦合求解, 使用二维模型进行模拟仿真得出箱体内传热规律以及辐射的影响[6]。
吴小华采用FLUENT软件建立了冰箱三维几何模型, 分别模拟网状和平板搁物架时箱体内温度场和流场的分布, 得出了较为合理的结构, 同时提出了优化的方向[7]。
于兵应用PHOENICS软件模拟了间冷式冰箱箱内温度场与流场的分布情况, 在建立物理模型过程中, 对其做出一些简化;通过分析得知, 计算结果与实验结果基本吻合, 并且可以忽略浮升力的影响[8]。
苏秀平等应用FLUENT软件计算了间冷式冰箱风扇区域流场, 采用二阶k-ε湍流模型, 风扇叶片区域使用多坐标模型, 蒸发器区域使用多空介质模型, 提出了风扇盖板的改进措施[9]。
俞炳丰等使用PIV技术测量了间冷式冰箱内部流场, 并将采用k-ε紊流模型计算模拟得到的结果与测试结果对比分析, 得出计算模型的正确, 为箱体的结构优化提供了依据[10]。
2 冷藏箱研究中存在的问题
很多学者为了问题的简化, 大都研究了冷藏箱的二维稳态情况, 而很少考虑三维非稳态的情况, 忽略了整体的影响, 因此计算结果有片面性, 计算结果的误差较大。数值计算中没有考虑箱体内的辐射换热, 而因为箱体各壁面的温差较大, 辐射换热对箱体内温度场与流场的分布有着重要的影响[11]。同时, 门缝结构对箱体内温度场与流场分布的影响, 无论是通过实验的方法还是数值计算方法, 存在一定的难度, 因此需要更有效的解法。
3 总结
从以上分析可以看出, CFD已在冷藏箱箱体结构设计以及优化发挥了重要的作用, 但是还有很多值得我们去探索的地方:
(1) CFD在冷藏箱箱体温度场与流场的计算模拟中已经应用的非常成熟, 但是很多都是为了简化问题模拟了箱体的二维稳态情况, 对三维非稳态情况涉足较少, 而下一步的工作需要考虑所有的箱体壁面辐射换热问题。
(2) 模拟计算中通常将箱体作为一个空腔结构, 忽略了搁架以及放置物品对冷藏箱内部换热和流场的影响, 但实际中搁架及其上的物品对冷藏箱内部温度场和流场分布较大的影响。
