微小喷嘴的设计加工及推力性能研究

发布时间：2017-05-11 08:18

冷喷涂技术起源于上世纪八十年代,在近二十年得到了快速发展。微小喷嘴在冷气动力学喷涂领域也有重要应用,在材料表面改性的冷喷涂技术中,粉末颗粒超音速的速度冲击到工件表面形成固态颗粒涂层。冷喷涂的颗粒温度低于其烙点,因此消除了高温对涂层和基体的不利影响,避免了高温造成的氧化、蒸发、剥离等问题,并且粉末可回收和重复使用,且对于较硬材料例如镇、镜及其合金均可沉积。喷嘴使粉末颗粒速度超过音速,粒子速度、喷涂面积、颗粒分布情况均取决于喷涂所用喷嘴。图1-3为典型的冷喷涂系统示意图高压氮气将固体颗粒混合到喷嘴气流中,并使其加速在出口获得超音速的速度喷向基体表面,形成涂层。

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第2章微小喷嘴结构设计

2.1喷嘴工作原理

喷嘴一维定常可压缩气体流动指垂直于喷嘴轴线的每个截面上的气流参数保持均匀一致,喷嘴中流动气体的可压缩性显著,此时可将气体在喷嘴中的流动简化为一维运动,把气体真实的三维流动近似当做一维流动来分析,可简化流场参数的求解难度,便于喷嘴的设计和性能计算。微小喷嘴体积较小,进行计算和仿真的过程可以忽略与外界的热交换,将喷嘴流动视为绝热的过程,即喷嘴内部气流与外界没有热交换。图2-1所示为喷嘴一维定常绝热流动的一个微元段控制体。m是喷嘴的质量流量,S是喷嘴截面面积,是气体密度,F是气体速度,f是气体压力,了是气体温度。一维喷嘴绝热流动的基本方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程、气体状态方程组成。

2.2微小喷嘴几何参数设计

湍流运动是一种无穷多尺度游祸流动,并且具有数学上的强烈非线性,使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题。虽然纳维-斯托克斯方程能够较准确描述湍流运动,但求解这样一个复杂的方程会花费大量的精力和时间。可采用平均纳维-斯托克斯方程方程来描述工程和理学问题中遇到的湍流运动。当对三维非定常随机不规则的有旋瑞流流动的纳维-斯托克斯方程平均后,得到相应的平均方程,此平均方程中增加了六个未知的雷诺应力项,形成了湍流基本方程的不封闭问题。根据湍流运动规律寻找适合工程应用的附加条件和关系式使方程封闭促进了近几年来各种湍流模型的发展。但在平均过程中会使流动的脉动细节信息丢失,为了找回这些失去的流动信息,可引入湍流模型。

第3章微小喷嘴性能的粗糙度效应.......39

3.1喷嘴壁面粗權度的建模.....39
3.2基于CFD仿真的喷嘴加工刀具优选......43
3.3喷嘴的尺度效应.....47
3.4基于摩擦效应的喷嘴性能预测模型.....55
3.5喷嘴粗糙度效应及性能预测模型验证.....60

3.6不同入口总压下粗禮度对喷嘴性能的影响.....66

3.7加工轨迹对喷嘴性能的影响.....73
第4章微小喷嘴加工技术.....81
4.1微小喷嘴切削加工参数优化.....81
4.2微小喷嘴切削加工刀具优选.....91
4.3微小喷嘴切削加工壁面毛刺抑制技术.....94
4.4微小喷嘴切削加工工苦路线优化.....99
4.5喷嘴加工结果.....101
第5章微小喷推力测试.....109
5.1微小喷嘴推力测试平台设计制造.....109
5.2不同工艺参数加工的喷嘴推力测试.....111
5.3不同刀具轨迹加工的喷嘴推力测试.....119
5.4本章小结.....121

第5章微小喷嘴推力测试

5.1微小喷嘴推力测试平台设计制造

利用不同的刀具轨迹加工所得喷嘴的壁面残留方向不同:圆周刀具轨迹所加工的喷嘴具有与气流方向垂直的壁面残留,而轴向刀具轨迹所加工的喷嘴,其壁面残留方向气流方向一致。对比分析这两种刀具轨迹加了的喷嘴推力功能，,阐释粗糙度方向对喷嘴推力性能的影响规律,可指导喷嘴加工的刀具轨迹选择。

5.2不同工艺参数加工的喷嘴推力测试

由第3章喷嘴CFD仿真结果可知,随着喷嘴壁面粗糙度的增加,喷嘴性能呈现下降趋势。对不同工艺参数加工的喷嘴进行推力测试,可分析验证喷嘴粗糙度效应对喷嘴推力的影响。喉部直径1mm微小喷嘴为例,加工4个喷嘴,其加工工艺参数如表5-1所示。四个喷嘴分别采用r球头饼刀和锥形锐刀两种刀具,其中球头锐刀采用三组不同的轴向切削深度,获得不同的壁面粗糙度。

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第6章结论与展望

(1)提出了微小喷嘴收缩段、扩张段的选型原则,揭示了扩张段长度对微小喷嘴速度及推力性能的影响规律。研究结果表明:喷嘴收缩段采用维托辛斯基曲线或直线形均可以满足气流均匀加速的要求,而直线型收缩段喷嘴的气流速度略高,应优先选用;微小喷嘴应选用具有最小内表面积的直线型扩张段,可减小气流与喷嘴的接触面积,抑制喷嘴的表面效应。随着喷嘴扩张段长度增加,其速度及推力性能呈现先上升再下降的趋势,利用计算流体动力学CFD仿真结果确立了扩张段的最佳长度,对于喉部直径1mm的微小喷嘴,其扩张段最佳长度为3mm。

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参考文献（略）

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本文编号：356740