超音速等離子噴涂的射流特性

張勇，張雄，鄭杰，高琳，林光文，武瑞霞

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超音速等離子噴涂的射流特性

張勇1，張雄1，鄭杰1，高琳1，林光文2，武瑞霞2

(1. 西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710000；2. 中原油田天然氣處理廠，濮陽 457061)

采用非局域熱力學(xué)平衡條件，考慮等離子噴涂過程中的電離及復(fù)合反應(yīng)，研究超音速等離子噴涂過程中的流場(chǎng)特性。結(jié)果表明，氬氫混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，噴槍內(nèi)部的最大速度達(dá)到3 200 m/s，最高溫度達(dá)到18 000 K。采用氬氫混合氣體比純氬情況下的速度和溫度都有所提高。等離子體的最大速度隨電流增大而增大，最高溫度在470 A出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)電流大于470 A時(shí)，氣流溫度開始升高。加入粉末后，氣流速度增大。流場(chǎng)速度隨載氣量增大而減小。氬氫混合氣體中氫氣的最佳含量為體積分?jǐn)?shù)15%。

超音速；等離子噴涂；射流特性；非局域熱力學(xué)平衡；氬氫混合氣體

超音速等離子噴涂過程中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)特性直接影響最終的涂層質(zhì)量[1?3]。因此研究超音速等離子噴涂過程中的流場(chǎng)特性具有重要意義[4]。目前從研究方法上講，僅通過實(shí)驗(yàn)的方法很難直觀獲取噴槍內(nèi)外部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布情況及規(guī)律。而數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)方法的不足，因此采用數(shù)值計(jì)算方法分析超音速等離子噴涂過程中的物理現(xiàn)象很有必要[5?7]。MARIAUC等[8]采用瞬態(tài)模型分析等離子噴涂過程，考慮了噴槍內(nèi)部電能到熱能的能量傳輸，但該模型基于的是局域熱力學(xué)平衡假設(shè)。TAHARA等[9]將電子溫度和重粒子溫度分開考慮，對(duì)等離子噴涂過程進(jìn)行了分析。TOKAR等[10]研究了用于材料熔化處理過程的等離子體射流，分析了層流氬等離子體射流碰撞到工作平板整個(gè)過程中的傳熱與流動(dòng)問題。SRINIVASAN 等[11]對(duì)外界氣體對(duì)層流氬等離子體射流碰撞基體過程的影響進(jìn)行了模擬分析。VARDELLE等[12]則借助ESTET程序?qū)Φ入x子噴涂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。VAIDYA等[13]通過數(shù)值計(jì)算研究了送粉載氣對(duì)等離子體射流的影響。但這些研究并沒有在對(duì)等離子噴涂多物理場(chǎng)耦合特性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，基于的是局域熱力學(xué)平衡假設(shè)，且忽略等離子噴涂過程中的電離及復(fù)合反應(yīng)。目前關(guān)于超音速噴涂的模擬計(jì)算多集中在對(duì)低壓環(huán)境下等離子噴涂過程的研究，對(duì)超音速等離子噴槍內(nèi)外結(jié)合的三維瞬態(tài)計(jì)算沒有報(bào)道。本文作者在等離子噴涂多物理場(chǎng)耦合的基礎(chǔ)上，建立超音速等離子體射流的內(nèi)外流場(chǎng)計(jì)算模型，考慮等離子噴涂過程中的電離及復(fù)合反應(yīng)，采用非局域熱力學(xué)平衡條件，研究超音速等離子噴涂過程中的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)特性。研究結(jié)果有助于探明工藝參數(shù)對(duì)超音速等離子噴涂過程流場(chǎng)內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)超音速等離子噴涂的最佳工藝配置有借鑒意義。

1 模擬計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

1) 連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)[14]：

2) 組分連續(xù)性方程[15]：

3) 動(dòng)量方程[16]：

4) 能量方程[17]：

式中：表示湍動(dòng)能，m2/s2；為湍流耗散率，m2/s3；為湍動(dòng)粘度，Pa·s；G為由于平均速度梯度的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，kg/(s2·m)。

1.2 參數(shù)設(shè)置

超音速等離子噴涂噴槍的計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算模型被劃分成陰極固體、陽極固體、主氣流道、送粉氣流道和出口大氣這幾個(gè)計(jì)算域，在條件設(shè)置時(shí)區(qū)別固體區(qū)域和流體區(qū)域。整個(gè)模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共包括724 450個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)、612 032個(gè)計(jì)算單元。在徑向方向，陽極固體的網(wǎng)格在靠近主氣流體區(qū)域和主氣流體網(wǎng)格靠近陰極固體表面處都進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚怼Ａ硗?，為了保證流體部分的計(jì)算精度，流體計(jì)算域的網(wǎng)格密度大于固體區(qū)域，噴槍內(nèi)部流道的網(wǎng)格密度大于噴槍外部。表1所列為超音速等離子噴涂的模型參數(shù)。

圖1 超音速等離子噴涂計(jì)算模型

表1 超音速等離子噴涂的模型參數(shù)

基于實(shí)際噴涂過程中所用到的等離子噴涂參數(shù)，本文計(jì)算中所用的邊界條件設(shè)置如表2所列。

表2 超音速等離子噴涂邊界條件設(shè)置

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 速度和溫度分布

圖2所示為純氬和氬氫混合(氫氣體積比15%)情況下超音速等離子噴涂時(shí)噴槍內(nèi)外的氣流速度和溫度分布。從圖2可看出，在采用氬氫混合氣體進(jìn)行超音速等離子噴涂的情況下，噴槍內(nèi)部的速度最大值達(dá)到3 200 m/s，最高溫度達(dá)到18 000 K。氬氫混合比純氬情況下的速度和溫度都有所提高。

噴槍出口截面氣流的速度和溫度分布如圖3所示(純氬情況下)。從圖3可看出，噴槍出口截面氣流的速度和溫度都呈現(xiàn)中心高、周圍低的分布。由于送粉氣流的作用，中心最大溫度和速度都向外偏離噴槍中心。

2.2 不同工藝參數(shù)下的流場(chǎng)特性

工作電流和載氣流量對(duì)超音速等離子噴涂的射流速度分布和溫度分布有較大影響。圖4所示為工作電流分別為400，500和600 A條件下噴槍內(nèi)的氣流速度和溫度分布。

從圖4可看出，隨工作電流增大，噴槍內(nèi)部的氣流速度增大，同時(shí)噴槍內(nèi)部的氣流速度梯度也增大。這是由于增大電流使噴槍內(nèi)的電流密度增大，產(chǎn)生的熱量增多，從而加大氣體膨脹程度，引起射流速度增大。噴槍內(nèi)部氣流溫度隨工作電流增大而升高，但當(dāng)電流由400增大到500 A時(shí)，溫度增大不太明顯。這是因?yàn)殡S電流增大，噴槍內(nèi)部雖然產(chǎn)生的焦耳熱量增多，但射流速度同時(shí)增大，射流會(huì)帶走熱量，消弱溫度增長的態(tài)勢(shì)。

圖2 純氬和氬氫混合情況下等離子體射流特性

(a) Velocity distribution in Ar case; (b) Velocity distribution in Ar-H2gas mixture case; (c) Temperature distribution in Ar case; (d) Temperature distribution in Ar-H2gas mixture case

圖3 噴槍出口截面的速度和溫度分布

(a) Velocity distribution; (b) Temperature distribution

圖4 不同工作電流下噴槍內(nèi)等離子體的速度和溫度分布

(a) Velocity distribution; (b) Temperature distribution

為了便于研究電流對(duì)等離子體的最高溫度和最大速度的影響，取電流在450~750 A范圍內(nèi)逐漸遞增50 A，研究等離子體內(nèi)最高溫度和最大速度的變化，結(jié)果如圖5所示?？梢娍傮w的變化規(guī)律為隨電流增大，等離子體的最大速度增大，最高溫度在470 A出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)工作電流大于470 A時(shí)，增加電流產(chǎn)生的熱量大于高速射流所帶走的熱量，氣流溫度開始升高。所以本文推薦的電流在650~750 A之間，電流過大會(huì)燒壞噴嘴。

圖6所示為粉末對(duì)超音速等離子噴涂的氣流速度的影響。載氣流量為5 L/min。由圖6可看出，當(dāng)無粉末加入的情況下，流場(chǎng)中的最大速度為1 769 m/ s，而加入粉末后，流場(chǎng)的最大速度達(dá)到1 834 m/s。這是由于加入粉末后，加大了氣體的壓縮效應(yīng)，從而增大氣流的速度。

圖7所示為載氣流量對(duì)流場(chǎng)速度的影響。載氣流量分別為5，10和15 L/min。從圖7可看出，隨載氣量增大，流場(chǎng)的速度減小。這是由于當(dāng)載氣流量為5 L/min時(shí)，顆粒分布在流場(chǎng)中心，加大壓縮效應(yīng)，導(dǎo)致氣流速度較大。隨載氣流量增大，顆粒穿過流場(chǎng)，帶走多余熱量，溫度梯度降低，從而降低流場(chǎng)速度。

圖5 電流對(duì)等離子體最大速度(a)和最高溫度(b)的影響

(a) and maximum temperature (b)

圖6 粉末對(duì)流場(chǎng)速度的影響

(a) Without powder; (b) With powder

工作氣體(氬氫混合氣體)中氫氣的含量對(duì)速度也產(chǎn)生重要影響。圖8和圖9所示為氬氫混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)為10%、15%和25%時(shí)的流場(chǎng)速度和溫度。從圖中可看出，隨氫氣含量增加，等離子體射流的速度和溫度都是先增大后減小，這是因?yàn)殡S氫氣增加，氣流的熱焓增大，氣體的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率也增大，從而增加氣流內(nèi)部的熱量交換，導(dǎo)致射流溫度和速度增加，射流速度增加又會(huì)帶走部分熱量，所以氣流的速度和溫度變化是在二者共同作用下引起的。氫氣的體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，流場(chǎng)的溫度和速度最大，所以推薦氫氣含量為15%。

圖7 載氣流量對(duì)流場(chǎng)速度的影響

(a) 5 L/min; (b) 10 L/min; (c) 15 L/min

圖8 氬氫混合氣體中氫氣含量對(duì)流場(chǎng)速度的影響

(a) 10%; (b) 15%; (c) 25%

圖9 氫氣含量(體積分?jǐn)?shù))對(duì)流場(chǎng)溫度的影響

(a) 10%; (b) 15%; (c) 25%

3 結(jié)論

1) 以氬氫混合氣體作為工作氣體進(jìn)行超音速等離子噴涂，氫氣的體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，噴槍內(nèi)部的最大速度達(dá)到3 200 m/s，最高溫度達(dá)到18 000 K。氬氫混合氣體比純氬情況下的最大速度和最高溫度都有所提高。氬氫氣體中氫氣的最佳含量(體積分?jǐn)?shù))為15%。

2) 隨工作電流增大，等離子體的最大速度增大，最高溫度在470 A出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)工作電流大于470 A時(shí)，氣流溫度開始升高，因此推薦電流在650~750 A之間。

3) 加入粉末后，氣流速度增大。

4) 隨載氣量增加，流場(chǎng)速度減小。

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(編輯 湯金芝)

Jet characteristic of supersonic plasma spraying

ZHANG Yong1, ZHANG Xiong1, ZHENG Jie1, GAO Lin1, LIN Guangwen2, WU Ruixia2

(1. College of Mechanical Engineering, Xi’an Petroleum University, Xi’an 710000, China; 2. Zhongyuan Oilfield Gas Treatment Plant, Puyang 457061, China)

The jet characteristics in the supersonic plasma spraying process were investigated based on the non-local thermodynamic equilibrium conditions and considering the ionization and composite reactions during plasma spraying. Theresults show that the maximum velocity of 3 200 m/s and the maximum temperature of 18 000 K are obtained when H2volume fraction in the Ar-H2gas is 15%. Both temperature and velocity of the flow in Ar-H2gas mixture are higher than that of in pure Ar gas. The maximum velocity of the plasma increases with increasing the current. The maximum temperature of the plasma appears at 470 A. The temperature of the gas flow increases when the current is higher than 470 A. The flow velocity increases after adding powder. The velocity of the flow field decreases with increasing the carrier gas. The optimum volume fraction of H2in Ar-H2gas mixture is 15%.

supersonic; plasma spraying; jet characteristic; non-local thermodynamic equilibrium; Ar-H2gas mixture

2017?07?04；

2017?09?11

張勇，講師，博士。電話：18729044931；E-mail: zyszbd@163.com

O359；TG174.44

A

1673-0224(2017)06-713-06