超音速火焰喷枪射流温场分布特征研究及应用

发布时间：2020-09-24 18:25

　　 超音速喷枪内煤油和氧气燃烧产生的燃气加速形成的超音速射流,对喷枪送入的粉末加热加速后撞击工件表面形成涂层,优良的涂层性能可增加工件寿命。由于喷枪的不同工艺条件对涂层性能的影响并不独立,故难以定量描述工艺条件对涂层的影响。工艺条件对涂层的影响实际源于不同条件参数会使到达工件的射流温度T_s不同,因此可将射流温度作为中间量,间接分析工艺条件对涂层的影响,然而喷枪产生的高速高温的射流却难以直接测量,为解决此问题本文研究内容如下:1.基于火箭射流动力学对喷枪产生射流温场进行理论分析,并仿真说明,根据理论结果设计了一种间接测量射流内多点温度来获得射流温度分布特点的方法,依此搭建了在线测温系统。实验分析了测温系统测得的射流温度的稳定性。2.分析了实验测得的射流温度并与理论计算比较,结果基本一致,说明了测量方法的可靠性。根据测量方法推导出到达工件的射流温度T_s计算公式,并进行了实验验证。3.通过实验结果分析了得到了工艺条件与射流温度T_s的关系模型,然后分析了射流温度T_s与涂层性能的关系。结果表明当射流温度T_s为489.7℃时,涂层结构孔隙率最小为0.28%,涂层显微硬度最大为HV1233.7。本文设计的射流温度测量方法已得到验证,并初步应用到了实际过程中涂层性能优化中,对超音速喷涂工艺可提供参考。
【学位单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG173
【部分图文】：

理有：21 12 2 21 2 2 21 1 1ln4 2D kMa TLf k Ma Ma kMa T (2-14)式中 Ma1和 Ma2为枪管入口和出口的马赫数，T1和 T2为枪管入口和出口的流气体温度，L 为枪管的长度，D 为枪管内管的直径，f 为超音速流平均摩擦数。由上式可知，随着焰流在喷管中的流动，马赫数是减小的，这一结论符实际的情况。焰流气体从在燃烧室产生经过 laval 管和喷管最终形成超音速射流喷出。.2 射流结构特点分析焰流气体经过在喷枪内的流动，由亚音速转化为超音速焰流从喷管喷出，再受管壁的约束而进入一个无限大的空间，此段的焰流称为射流。超音速喷产生的射流为超音速射流，不同于普通的亚音速射流的是，超音速射流的近场要更加的复杂，而且是一个不定常的流场。当喷枪燃烧稳定后，射流流场具有一定的稳定性[28]。喷枪工作时射流区域射流的实物图如下图 2.9 所示。

使用 ANSYS 旗下的 ICEM 软件对几何模型进行网界条件进行设定。由于喷枪喉部的反应最为复杂，所以 laval 管喉求最密。经划分后，共得到 1432632 个网格数目。如下图 2.13 是对应的边界条件，图 2.14 为喉部细节网格图。1234569图 2.13 超音速喷枪网格划分结果2.13 中标号为 1 和 2 处分别为煤油和氧气质量入口，3、4、5 设置面，温度设为 30℃；6 和 8 设置为压力出口；9 为对称边界条件。

腔道流动、边界层流等且要求计算精度较高的情况，所以计算选择 Realiz模型[49]。（2）燃烧模型选择焰流的产生来自与煤油和氧气的燃烧反应，燃烧反应发生在燃烧室内应环境是一个高压高温封闭绝热的场所，高温高压下的化学反应会伴随着离子的产生，这使反应的生成物的成分和含量确定十分困难。选择一个合燃烧模型来模拟在燃烧室内发生的反应直接决定了焰流分析的准确性。燃型中的涡耗散模型可以兼顾湍流和燃烧反应，本文所选择的模型即为涡耗型。2.3.3 结果分析（1）喷枪焰流温度轴向分布特点仿真设置的煤油入口质量流量为 0.005kg/s，氧气的入口质量流量 0.017k迭代 10000 步后，得到的焰流气体温度场的分布云图如图 2.15 和焰流温度线方向上的变化曲线图如图 2.16。

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本文编号：2826099