Three Dimensional Numerical Simulation of Coaxial Powder Feeding Flow with Carrying Gas
Dong Chenhui1 ,2 Yao Jianhua1, 2 Hu Xiaodong1 ,2 Chen Zhijun1 ,2
1 浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室 , 浙江 杭州 310014 2 浙江工业大学激光加工技术工程研究中心 , 浙江 杭州 310014
摘要 根据 N avier-Sto kes 方程 , 采用 COM SO L M ultiphysics 软件进行 了载气 式同轴 送粉系 统的三 维气流 流场数 值模拟 。 结果显示熔覆层的存在会使其上方气流流速减 小 、压强增大 、相应的气流流量 减小 , 并 得到了气 流汇聚点 距喷嘴的距离 。 关键词 激光技术 ;同轴送粉 ;三维流场 ;数值模拟 ;N avier-Sto kes 方程 ;喷嘴 中图分类号 T N249 ;TF 124 文献标识码 A doi :10.3788/ CJL20103701 .0261
收稿日期 :2009-03-23;收到修改稿日期 :2009-04-03 基金项目 :科技部国际合作项目(JG-JD-2008001), 浙江 省自然科学基金(Y 107489)和浙江工业大学教改项目资助课题 。 作者简介 :董辰辉(1983—), 男 , 硕士研究生 , 主要从事激光熔覆中送粉过程的数值模 拟方面的研究 。
描方向的变化 , 具有激光熔覆技术所需要的各向同 性的功能 。在载气式同轴送粉系统中 , 金属粉末流 存在能量 、动量和质量输送物理过程 , 它们直接决定 熔覆层的尺寸 、精度和性能 , 因此需要对其粉末流场 进行深入的研究 。
工业应用中有许多与载气式同轴送粉激光熔覆
相似的工艺 , 如冷喷涂等 , 对这些类似的工艺过程中 的两相流动 , 人们从理论到实践进行了研究[ 1] 。 此 外 , Jehnming[ 2] 研究了雷诺数为 2000 时 , 同轴送粉 喷嘴内的气粉两相流动 , 计算和分析粉末流浓度的
用于计算流体的压强 P 和速度向量 , 另外它可以对 2D , 2D 轴 对称和 3D 模型 进行求 解 。 根 据动量 守 恒 、传输特性 与速度梯度 , Navier-St oke s 方程 的广
义形式为
ρ
u t
-
·[ η( u +( u)T] +
ρ(u · )u + P =F
(1)
·u =0 .
1期
董辰辉等 : 激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
2 63
较大 。
图 2 送粉头三维数值计算模型 Fig .2 T hree-dimensio nal numerical mo de
of po wder feed head
图 2 中坐标单位是毫米 , 而整个模型 z 方向长度 为 100 mm , x 方向 长度为 100 mm , y 方向 长度为 50 mm 。喷 嘴 的 z 轴 坐 标 为 0 , 喷 嘴 的 内 径 为 8 .5 mm , 外径为 9 .5 mm , 喷头的汇聚角度为 22°, 进 气口的直径为 4 mm , 每个进气口载气的平均流速为 3 .31 m/ s 。
第 37 卷 第 1 期 2010 年 1 月
中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LASERS
文章编号 :0258-7025(2010)01-0261-05
V ol .37, N o .1 January , 2010
激光熔覆载气式同轴送粉三维气流流场的数值模拟
董辰辉1, 2 姚建华1 , 2 胡晓冬1, 2 陈智君1 , 2
流体力学在研究气流或者水流问题时 , 经常假 设材料的密度是一个常数或者几乎是常数 。 即假设
处理的问题中所遇到的流体是不可压缩流体 。流体
力学中可以采用不可压缩 Navie r-St okes 模型来解 决不可压缩流体的动态和静态问题 。
Navier-Sto kes 方程基于牛顿第二定律 , 刻画流 体在重力 、粘性阻力和压力的作用下的运动规律 , 考
图 3 z =-6 mm 处的 气流速度场分布 Fig .3 G as flo w v elocity at z =-6 mm
图 4 z =-15 mm 处的气流速度场分布 F ig .4 G as flow velocity at z =-15 mm
5 结果分析
研究同轴送粉的效果主要是分析载气在喷出喷 嘴之后在空间的汇聚情况 , 所以主要分析的是此空 间内水平切面内的速度场 、压强和流量分布 。 5 .1 气 流速 度场 和压 强分 析
2 送粉系统
同轴送粉喷嘴的典型结构如图 1 所示 。整个喷 嘴集成了焦距调节 、循环冷却 、粉末流道和激光束通 道等子结构 。 在使用时 , 将同轴送粉喷嘴上部与激 光头固定在一起 , 完成 x , y 和 z 轴各方向的运动 , 激光束从喷嘴中心通过 ;从粉末分配器来的粉末/ 载 气流分为 4 束后从同轴送粉喷嘴的 4 个入口进入喷 嘴 , 沿着喷嘴下部设计好的流 道 , 呈倒 置圆锥状喷 出 ;通过喷嘴上部的焦距调节螺纹 , 可调整喷嘴与熔 池的距离 , 使从喷嘴喷出的粉末流恰好汇聚到熔池 里 ;此外 , 由于喷嘴距熔池较近 , 为了防止熔池热辐 射使喷嘴过热 , 喷嘴内置冷却水循环系统 。
因为本模型是 3D 对称模型 , 所以图中有小点 的界面在模拟中设置为对称边界条件 。本模型中包 括了一个完整进气口和两个 1/ 2 进气口 , 这 4 个面 的边界条件设置为 i nlet 。喷 头下方进行模拟的长 方体空间边界条件设置为 out let , 其他边界设置为 w all 。载气使用的是氮气 , 所以将空间内的材料属 性均设置为材料属性库中的氮气即可 。
虑了流体静压能 、动能 和势能平衡 , 以流体动 能为 主 , 不考虑渗透阻力的作用 。 主要研究管流 , 适用于
河道 、管道流场 。在巷道通风 、流体管流计算中得到
广泛应用 。
采用 COMSOL Multi physics 软件进行 数值模 拟 。COM SO L Mult iphysi cs 软件包含 了不可压 缩 流体 Navie r-St okes 应 用模型 , 采用 Navier-S tokes 方程的广义形式来求解可变粘度问题 。 该模型可以
E-mail :dch 1209 @163 .co m 导师简介 :姚建华(1965 —), 男 , 博士 , 教授 , 主要从事激光先进制造与加工技术等方面的 研究 。 E-mail:laser @zju Yang[ 3] 研究了激 光熔覆中同轴送粉的汇聚 模型 。Z ekovic 等[ 4] 对激光直接金属沉积中放射状 对称送粉头气粉流进行了 数值模拟 。 另外杨洗陈 等[ 5 ～ 7] 研究了激光制造中载气式同轴送粉粉末流场 的二维(2D)分布 。 刘振侠等[ 8] 研究了送粉式激光 熔覆数值模型 。 而同轴送粉的三维(3D)气流流场 的数值模拟目前少有研究 。
1 Key Laborat ory of Mechanical Manuf act ure and Automation , Munistry of Education , Zhejiang University of Technology , Hangzhou , Zhejiang 310014, China
激光从上向下垂直照射 , 送粉头的移动方向就是 v 所示的方向 , 而图中的小长方体是激光熔覆过程中 已经沉积出的熔覆层 。图 2 中沿送粉头中轴线每隔 1 mm设置了一个半径 2 mm 半圆形的小切面 , 用于后 处理中计算该范围内的流量积分 , 从而研究竖直方向 光斑范围内的流量分布以寻找气流的汇聚点 。
4 数值模拟
载气式同轴送粉系统中 , 金属粉末通过 4 个进 气口由载气送入到送粉 头中 , 并最 终喷出至熔池 。 采用 COMSOL M ultiphy sics 软件的 Navier-S tokes 3D 模型对送粉头的 3D 流场进行模拟 。
首先来建立送粉头的 3D 模型 。 为了减小计算 量由左右 对称 性 建立 了 如图 2 所 示 的送 粉 头 的 1/ 2 三维模型 。
(1)式中第一个方程是动量传输方程 , 第二个是不可
压缩流体的连续性方程 。 其中相应的参量含义分别
为 :η为动态粘性系数 , ρ为流体密度 , u 为速度场 , P 为压强 , F 为空间力场 。
COM SO L M ul tiphy sics 所提 供的应用模型 可 以通用于所有形式的不可压缩流体 。
图 1 同轴送粉喷嘴的典型结构 Fig .1 Structure of coax ial po wder feed head
3 数值计算模型
载气式同轴送粉过程中, 送粉的量较小 (5 ～ 25 g/ min), 粉末的存在对气流流场的分布影响 很小 , 所以假设粉末在气流的影响下其空间流场分 布同气流是一样的 , 而主要目的就是对三维气流流 场进行数值模拟 。
1 引 言
激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔 覆一层硬度高 、热稳定性好 、与基体形成冶金结合的 复合涂层的工艺 。 载气式同轴送粉是实现激光熔覆 的关键技术之一 , 它主要依靠载气的动能把粉末均 匀 、稳定地输送出去 , 辅之以气体动力分散和运输 , 使粉末分散均匀 、运输流畅 , 且能够重点解决立体送 粉和合金粉末的长距离输送问题 。同轴送粉中粉末 流与激光束同轴输出 , 能够将粉末均匀分散成环形 , 再汇聚后送入聚焦的激光光束中 , 并很好地适应扫
2 Research Center of Laser Processing Technology and Engineering , Zhejiang Universit y of Technology , Hangzhou , Zhejiang 310014, China