基于FLUENT的冷噴涂Laval噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢龍森， 郭學(xué)平， 朱海彬

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門361021； 2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

基于FLUENT的冷噴涂Laval噴嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

邢龍森1， 郭學(xué)平1， 朱海彬2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門361021； 2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 上海 201913)

優(yōu)質(zhì)的冷噴涂涂層是船舶防腐領(lǐng)域的新方法，而Laval噴嘴則是制作冷噴涂涂層的核心部件。利用CFD軟件優(yōu)化計(jì)算，針對(duì)不同尺寸的噴嘴進(jìn)行模擬計(jì)算并優(yōu)化。當(dāng)喉部直徑一定，噴槍的噴槍縮放比約為4時(shí)，噴嘴內(nèi)外部氣流速度平穩(wěn)，無(wú)明顯的激波產(chǎn)生，而較大的出口直徑會(huì)產(chǎn)生明顯的激波。

冷噴涂；Laval噴嘴；數(shù)值模擬；激波

0 引 言

海水是天然的強(qiáng)電解質(zhì)，大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)材料都受到海水和海水大氣的腐蝕。由于船舶長(zhǎng)期處在這樣的海洋環(huán)境中，各個(gè)艙室和舷外結(jié)構(gòu)均存在嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，因此多年來(lái)，船舶結(jié)構(gòu)的腐蝕問(wèn)題一直備受關(guān)注。采用常規(guī)的涂層和陰極保護(hù)技術(shù)無(wú)法滿足長(zhǎng)效防護(hù)的要求, 目前噴涂金屬防護(hù)涂層技術(shù)[1-3]是解決海洋環(huán)境及船舶防腐的重要手段。

冷噴涂技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型噴涂工藝，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)[4-5]及流體力學(xué)[6]理論，噴涂粒子通過(guò)高溫高壓氣體運(yùn)載經(jīng)過(guò)Laval噴嘴以較高的速度(300～1 200 m/s)撞擊基體，粉末顆粒發(fā)生塑性形變沉積形成涂層。在冷噴涂過(guò)程中，粒子速度大于其臨界速度才能保證粒子有效地沉積在基體表面。粒子速度與噴嘴構(gòu)造有很大關(guān)系。設(shè)計(jì)合理的Laval噴嘴對(duì)于粒子的加速效果意義重大，也能提高氣流穩(wěn)定性，從而提升噴涂效率。Laval噴嘴是冷噴涂噴槍的核心部件，一般分為錐形和鐘形兩種噴嘴，本文選擇錐形噴嘴。當(dāng)馬赫數(shù)Ma<1時(shí)，噴嘴截面的變化趨勢(shì)與氣流速度變化趨勢(shì)相反；當(dāng)Ma>1時(shí)，速度與截面變化趨勢(shì)相同。要通過(guò)噴嘴將氣流加速到超音速，除了保證進(jìn)出口兩端有足夠大的壓強(qiáng)差之外，截面還要逐漸收縮使氣體由亞音速逐漸加速，在喉部達(dá)到音速，而后噴嘴開(kāi)始擴(kuò)張，使氣流繼續(xù)加速，在出口位置實(shí)現(xiàn)超音速。因此，Laval噴嘴的設(shè)計(jì)要采用收縮段和擴(kuò)張段結(jié)合的縮放型結(jié)構(gòu)。AJDELSZTAJN等[7]通過(guò)分析噴嘴尺寸結(jié)構(gòu)與出口顆粒速度之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：出口直徑減小會(huì)使顆粒的速度因噴管內(nèi)部產(chǎn)生的斜激波而受到影響。LI等[8]運(yùn)用Fluent研究噴管出口直徑、噴管擴(kuò)張比以及擴(kuò)張長(zhǎng)度的關(guān)系，并得到了優(yōu)化的尺寸組合。本文根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理[9]和氣固兩相流理論[10-11]，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自身情況，運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬計(jì)算方法，在喉部直徑一定時(shí)探討出口直徑對(duì)管內(nèi)氣流的影響。

1 計(jì)算模型

1.1計(jì)算區(qū)域及邊界條件

冷噴涂過(guò)程屬于氣體-顆粒氣固兩相的相互作用，需考慮氣體在管內(nèi)的湍流特性以及顆粒與氣體之間的相互耦合作用。固體顆粒按離散相處理，連續(xù)項(xiàng)不受離散相影響，故不考慮顆粒之間的相互作用以及顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)項(xiàng)的影響。對(duì)于冷噴涂過(guò)程中的氣相流動(dòng)采用有限體積法進(jìn)行離散控制方程，應(yīng)用simple算法來(lái)處理壓力與速度之間的耦合。

對(duì)噴涂氣體和顆粒采取如下基本假設(shè)：噴涂載氣為理想氣體，氣體為牛頓黏性氣流且流動(dòng)是持續(xù)不斷的；噴涂顆粒為直徑相同、密度均勻的球形顆粒，顆粒之間無(wú)任何相互作用，忽略顆粒重力、Saffman升力，只考慮氣體對(duì)顆粒的作用。

由于冷噴涂的噴管具有二維軸對(duì)稱性，故選取噴管的二分之一作為計(jì)算區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖1所示。出口與基體距離為20 mm，射流區(qū)域?yàn)?0 mm×45 mm，基體尺寸為50 mm×5 mm，基體材料為Fe，壁面均為無(wú)滑移的絕熱壁面。

邊界條件：將Di設(shè)置為壓力入口，De設(shè)為壓力出口，入口總壓力為Pi，入口溫度為Ti，出口背壓為一個(gè)大氣壓，其余部分設(shè)置對(duì)于氣體為絕熱無(wú)滑移壁面，對(duì)于顆粒設(shè)置為反射壁面。

圖1 噴管計(jì)算區(qū)域及邊界條件

1.2計(jì)算參數(shù)

噴槍計(jì)算參數(shù)尺寸如下：入口直徑Di，出口直徑De，喉部直徑Dt，漸縮段長(zhǎng)度L1，漸放段長(zhǎng)度L2。為了有效地保證大顆粒直徑粒子通過(guò)，需要確定合適的喉部直徑。喉部尺寸決定氣體的質(zhì)量流量，太大容易消耗過(guò)多的高壓氣體，太小易導(dǎo)致高壓氣體不足，從而無(wú)法保證效率。這里喉部直徑取Dt=4 mm，當(dāng)確定了合適的喉部直徑時(shí)，噴槍縮放比也就隨出口直徑變化，同時(shí)對(duì)應(yīng)著一定的出口馬赫數(shù)Ma。在超音速噴槍中，氣體的流動(dòng)狀況十分復(fù)雜，為了有針對(duì)地研究相關(guān)參數(shù)對(duì)粒子加速行為的影響，通常將噴槍內(nèi)的氣體流動(dòng)看成一維定常等熵流動(dòng)。LI等通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)噴嘴擴(kuò)張比對(duì)粒子的加速影響存在最優(yōu)值，該值與氣體種類無(wú)關(guān)，約為4～5，大于或者小于該值都將會(huì)降低粒子速度。

設(shè)計(jì)噴嘴漸縮段長(zhǎng)度Di=11 mm，漸放段長(zhǎng)度L2=70 mm，設(shè)計(jì)噴管進(jìn)口壓力Pi為1.8～3.5 MPa，進(jìn)口溫度Ti為290～800 K，出口壓力Pe為1.01×105Pa，采用空氣作為載氣，絕熱指數(shù)γ=1.40。

根據(jù)等熵關(guān)系由式(1)可得出口馬赫數(shù)Mae的大小為2.533～2.968。

根據(jù)式(2)可得噴槍縮放比的范圍是2.716～4.105。

式中：Ae為出口截面積；At為喉部截面積。

可以根據(jù)式(3)得到出口直徑的范圍為6.6～8.1 mm。

表1為噴嘴出口直徑與噴槍縮放比關(guān)系，而李文亞[12]通過(guò)模擬計(jì)算得出噴嘴擴(kuò)張比對(duì)粒子的加速影響存在最優(yōu)值，該值與氣體種類無(wú)關(guān)，約4～5，大于或者小于該值都將會(huì)降低粒子的速度。因此，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果、理論分析及Ae/At值，計(jì)算得出對(duì)于該噴嘴的出口直徑適宜尺寸應(yīng)選擇8 mm。

表1 噴嘴出口直徑與噴槍縮放比關(guān)系

2 噴嘴出口對(duì)噴管流場(chǎng)的影響分析

只改變噴嘴出口參數(shù)De，漸放段長(zhǎng)度L2保持70 mm不變，其他噴嘴出口參數(shù)保持不變，入口壓力P1設(shè)為2.8 MPa，溫度T1為673 K，出口直徑De模擬范圍為5～11 mm。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)出口直徑為5 mm，6 mm，7 mm時(shí)結(jié)果基本相同，出口直徑為9 mm，10 mm，11 mm時(shí)結(jié)果基本相同，因而這里計(jì)算結(jié)果選取出口直徑大小為6 mm，8 mm，10 mm這3種結(jié)果。3種情況模擬結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 出口直徑為6 mm無(wú)基板時(shí)速度云圖

圖3 出口直徑為6 mm有基板時(shí)速度云圖

圖4 出口直徑為8 mm無(wú)基板時(shí)速度云圖

圖5 出口直徑為8 mm有基板時(shí)速度云圖

圖6 出口直徑為10 mm無(wú)基板時(shí)速度云圖

圖7 出口直徑為10 mm有基板時(shí)速度云圖

2.13種不同出口直徑對(duì)氣流速度的影響

從速度云圖可知，在無(wú)基板的情況下：當(dāng)出口直徑為6 mm時(shí)，噴嘴外部先出現(xiàn)膨脹波，后出現(xiàn)壓縮波，2種激波交替出現(xiàn)，氣流速度先急劇增加而后急劇下降；當(dāng)出口直徑為10 mm時(shí)，噴嘴外部首先出現(xiàn)壓縮波，后出現(xiàn)膨脹波，2種激波交替出現(xiàn)，氣流速度先急劇減小而后急劇增加；當(dāng)出口直徑為8 mm時(shí)，噴嘴出口無(wú)明顯沖擊波產(chǎn)生，出口氣流速度比較穩(wěn)定。在有基板的情況下，超音速氣流由于遇到基板發(fā)生急劇壓縮，產(chǎn)生激波，這種弓形激波由于壓縮波的不斷疊加而形成?？擅黠@看出：在出口直徑為8 mm時(shí)激波相對(duì)較小，對(duì)粒子到達(dá)基體產(chǎn)生的影響也較?。欢げㄔ诔隹谥睆綖? mm和10 mm時(shí)較大，對(duì)粒子到達(dá)基體時(shí)的影響也較大；特別是當(dāng)粒子直徑小于1 μm時(shí)，顆粒由于慣性很小極易隨氣流變化而產(chǎn)生波動(dòng)，這會(huì)影響顆粒在噴嘴外部的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而影響整個(gè)噴涂效果。

2.23種不同出口直徑下氣流速度及溫度變化

圖8 出口直徑6 mm時(shí)氣流速度及溫度變化

圖9 出口直徑8 mm時(shí)氣流速度及溫度變化

圖10 出口直徑10 mm時(shí)氣流速度及溫度變化

由速度溫度變化示意圖可以看出：氣流速度在噴管內(nèi)明顯加速，尤其在噴嘴喉部氣流急劇增加，但達(dá)到x=0.05 m之后增加趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)；在氣流離開(kāi)噴嘴出口后，在不同直徑的噴嘴口處，氣流速度-溫度均發(fā)生了不同程度的波動(dòng)現(xiàn)象；當(dāng)出口直徑為6 mm(小于8 mm)時(shí)，氣流溫度往復(fù)交替，先減小后增大；當(dāng)出口直徑為10 mm(大于8 mm)時(shí)氣流溫度往復(fù)交替，先增大后減小；在出口直徑為8 mm時(shí)，氣流溫度也有波動(dòng)但波動(dòng)較小。

2.33種不同出口直徑下氣流壓力及馬赫數(shù)分布

圖11 出口直徑為6 mm時(shí)氣流壓力及馬赫數(shù)分布

圖12 出口直徑為8 mm時(shí)氣流壓力及馬赫數(shù)分布

圖13 出口直徑為10 mm時(shí)氣流壓力及馬赫數(shù)分布

當(dāng)氣流進(jìn)入噴管內(nèi)，壓力下降同時(shí)馬赫數(shù)會(huì)相應(yīng)上升，在喉部時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)馬赫數(shù)等于1；在漸擴(kuò)段氣流壓力繼續(xù)下降，馬赫數(shù)持續(xù)上升，噴嘴出口的馬赫數(shù)大于1。由于模擬過(guò)程中考慮流體的黏性以及氣體能量沿程損失，因此馬赫數(shù)在喉部漸擴(kuò)段部分才達(dá)到1，這說(shuō)明模擬結(jié)果更接近真實(shí)工況。出口直徑為6 mm時(shí)，在噴嘴外部馬赫數(shù)先急劇增大后急劇減??；出口直徑為10 mm時(shí)，馬赫數(shù)在噴嘴外先急劇減小后增大。2種情況馬赫數(shù)變化波動(dòng)很大，而在出口直徑為8 mm時(shí)，馬赫數(shù)變化比較穩(wěn)定。LI等模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：對(duì)于一定尺寸的噴嘴，粒子馬赫數(shù)變化較穩(wěn)定時(shí)，對(duì)粒子速度影響也會(huì)較小。

綜上所述，氣流的明顯加速過(guò)程在噴管內(nèi)部完成，在噴管出口處氣流加速變得平緩，當(dāng)氣流接近基板表面時(shí)，氣流速度很快降到0，并在基板表面形成一層很薄的邊界層。當(dāng)出口直徑小于8 mm或大于8 mm時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生較大的激波。在氣流到達(dá)噴嘴外部時(shí)馬赫數(shù)和氣流速度變化波動(dòng)明顯。而當(dāng)出口直徑為8 mm時(shí)，氣流速度和馬赫數(shù)基本不產(chǎn)生明顯波動(dòng)，且不容易產(chǎn)生激波，對(duì)粒子加速影響效果最好。同時(shí)由表1 可知，出口直徑為8 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴槍縮放比為4。

3 結(jié) 論

喉部直徑為4 mm的噴嘴，其他參數(shù)保持不變，以不同的出口直徑為變量，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，出口直徑對(duì)氣流速度、溫度、壓力及馬赫數(shù)都有很大影響。當(dāng)出口直徑為8 mm時(shí)，氣流速度最平穩(wěn)，馬赫數(shù)變化最穩(wěn)定，無(wú)明顯激波產(chǎn)生。從而可確定喉部直徑為4 mm的噴嘴，出口直徑為8 mm時(shí)，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，此時(shí)對(duì)應(yīng)的噴槍縮放比為4。

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OptimizationDesignofColdSprayedLavalNozzlesBasedonFLUENT

XING Longsen1, GUO Xueping1, ZHU Haibin2

(1.Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, Fujian， China;2.Jiangnan Shipbuilding (Group) Ltd, Shanghai 201913， China)

The high quality cold sprayed coating is a new method in the field of ship corrosion protection, while Laval nozzle is the core component of cold sprayed coating. CFD software is used to optimize the calculation and optimize the nozzle with different sizes. When the throat diameter is constant and the lance is about 4, the airflow velocity in the nozzle and outside is stable. At the same time, there is no obvious shock wave. And the larger exit diameter will produce a obvious shock wave.

cold spray; laval nozzle; numerical simulation; shock wave

廈門南方海洋研究中心項(xiàng)目(14GZB66NF30);廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20141052)；福建省科技重大平臺(tái)資助項(xiàng)目(2014H2001)；福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2016H6017；2015H0006)

邢龍森(1992-)，男，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代輪機(jī)工程

1000-3878(2017)05-0080-05

U671

A