（毕业论文）-同轴送粉器数值模拟

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1、沈阳理工大学学士学位论文 1 目 录 1绪 论1 1.1前言1 1.2课题背景的与现状2 1.2.1国外研究情况3 1.2.2国内研究情况3 1.3送粉技术现状及存在的问题4 1.3.1送粉方式4 1.3.2目前送粉技术存在的问题6 2计算流体学的基本原理8 2.1流体力学基本方程8 2.1.1质量守恒定律8 2.1.2动量守恒方程9 2.1.3能量守恒方程11 3FLUENT 软件介绍13 3.1FLUENT 软件概述13 3.1.1网格划分技术13 3.1.2软件的灵活设置13 3.1.3软件的基本构成13 3.1.4计算类型及应用领域14 4同轴送粉喷嘴模型的建立16 4.1同轴送粉喷嘴

2、模型16 4.2同轴送粉模拟计算前处理16 4.2.1同轴送粉喷嘴建模16 4.2.2划分网格17 4.2.3设定边界类型18 4.3同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤19 5汇聚过程的计算结果与分析20 5.1 同轴送粉的汇聚效果的总体分析20 5.2 粉气同角时汇聚特性数值模拟20 5.2.1 两腔锥角变化对汇聚性能影响.20 5.2.2 气腔进口速度对汇聚性能影响.24 5.3 粉气非同角时汇聚特性数值模拟27 5.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响27 5.3.2 粉腔锥角变化的汇聚性能比较.31 致 谢37 参考文献38 附 录39 沈阳理工大学学士学位论文 2 1.绪论 1.1.引言 激光

3、金属直接制造( LDMM) 技术是近十几年来兴起的一种先进制造技术, LDMM 技术采用高能量激光为热源, 以预置或同步供给金属粉末或金属丝为成形材料, 在金 属基体上逐为金属零件。同轴送粉喷嘴是实现激光直接制造的层堆积而成形关键部件, 它的主要作用是把金属粉末均匀、稳定地输送到熔池中。在同轴送粉中, 由于粉末流 与激光束同轴输出, 所以当粉末汇聚性差、汇聚焦距太小时( 粉末汇聚焦距是指喷嘴 出口到粉末汇聚焦点的距离) , 在成形过程中粉末的反弹容易造成喷嘴堵粉而影响零 件的成形质量, 国内外针对这一问题已做了大量的研究。Lin 7 研究了雷诺数为 2000 时, 同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动

4、, 计算和分析了粉末流浓度的分布规律; 杨 洗陈等 8 10 研究建立了同轴送粉喷嘴粉末流浓度场和温度场的理论模型, 开发了 一种新型数字粒子图像测速( DPIV ) 系统来检测粉末流的浓度场分布, 并研究了金属 粉末流和载流气体的动量和质量传输过程。 本文应用气固两相流理论对同轴送粉喷嘴的粉末流场进行数值模拟，分析了送粉 喷嘴锥角、粉末流速和保护气体流速对粉末流场汇聚特性的影响,及粉末流场参数的变 化规律。 1.2 课题背景与现状 1.2.1 国外研究现状 近年来，采用快速成型制造设备最积极的地区是东亚（尤其是韩国、新加坡及我 国的香港） 。美国的各种快速成型制造系统基本上都是在美国国家自然

5、科学基金会的资 助下研发并实现商品化的。在 Austin 举行的 2000 年度快速成型制造年会上，许多大 学和公司都推出了各自的成型系统。日本以东京大学为首的一批学术机构及企业单位 主要集中于 SLA 工艺（因为该工艺成型精度最高） 、树脂材料研究开发和快速成型制造 技术的应用方面。澳大利亚建立了主要由快速成型制造领域的工业企业和学术机构参 与的“欧洲快速原型制造行动（EARP） ”项目。 1.2.2 国内研究现状 为了加快快速成型制造技术在我国的发展，国家已组织实施了快速成型技术应用研 究和推广服务工作。经过国内多所大学及公司几年的努力，已经研制开发与国外 SLA、LOM、SLS、FDM

6、工艺相类似的一批设备。这些设备都是多种技术的集成，主要是 为了提高快速成型制造制作精度和可靠性，涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、激 光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。但快速成型制造技术在国内的应用还不 十分广泛，设备安装台数不多，目前仅限于大型企业。为改变此落后局面，西安交通 大学已建立了中国快速成型制造网络站点，为我国快速成型制造制造商、快速成型制 造技术应用服务中心、科研院校及广大用户提供信息服务。南方也已成立多家采用国 外设备的快速成型制造服务中心，一些公司开始应用快速成型制造技术开发新产品。 沈阳理工大学学士学位论文 3 1.3 送粉技术现状及存在的问题 1.3.1 送粉方式

7、（1）螺旋式送粉器：这种送粉器比较适合小颗粒粉末输送,工作中输送均匀，连续性 和稳定性高，并且这种送粉方式，对粉末的干湿度没有要求，可以输送稍微潮湿的粉 末。但是不适用于大颗粒粉末的输送，容易堵塞。由于是靠螺纹的间隙送粉，送粉量 不能太小，所以很难实现精密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，并且不适合输送不 同材料的粉末。 （2）转盘式送粉器：是基于气体动力学原理，通入的气体作为载流气体进行粉末输送， 这种送粉器适合球形粉末的输送，并且不同材料的粉末可以混合输送，最小粉末输送 率可 1g/min。但是对其他形状的粉末输送效果不好，工作时送粉率不可控，并且对粉 末的干燥程度要求高，稍微潮湿的粉末，会

8、使送粉的连续性和均匀性降低。 沈阳理工大学学士学位论文 4 （3）刮板式送粉器：对于颗粒较大的粉末流动性好，易于传输。但在输送颗粒较小的 粉末时，容易团聚，流动性较差，送粉的连续性和均匀性差，容易造成出粉管口堵塞。 （4）毛细管送粉器：这种送粉器能输送的粉末直径大于 0.4m。粉末输送率可以达到 1g/min。能够在一定程度上实现精密熔覆中要求的微量送粉，但是它是靠自身的重 力输送粉末，必须是干燥的粉末，否则容易堵塞，送粉的重复性和稳定性差，对于不 规则的粉末输送，输送时在毛细管中容易堵，所以只适合于球形粉末的输送。 （5）鼓轮式送粉器：其工作原理是基于重力场，对于颗粒比较大的粉末，因其流动性

9、 好能够连续送粉，并且机构简单。由于它是通过送粉轮上的粉勺输送粉末，对粉末的 干燥度要求高，微湿的粉末和超细粉末容易堵塞粉勺，使送粉不稳定，精度降低。 （6）电磁振动送粉器：是基于机械力学和气体动力学原理工作的，反应灵敏，由于是 用气体做为载流体将粉末输出，所以对粉末的干燥程度要求高，微湿粉末会造成送粉 的重复性差。并且对于超细粉末的输送不稳定，在出粉管处超细粉末容易团聚，发生 堵塞。 沈阳理工大学学士学位论文 5 （7）沸腾式送粉器：是基于气固两相流原理设计的。工作时，载流气体在气体流化区 域直接将粉末吹出送至激光熔池。但同样要求所送粉末干燥。沸腾式送粉器对于粉末 的流化和吹送都是通过气体来

10、完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末与送粉 器元件的机械摩擦，对粉末的粒度和形状有较宽的适用范围。 1.3.2 目前送粉技术存在的问题 随着激光技术的发展，经过多种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉器。一 般情况下，较大尺寸的粉末(颗粒直径100m)流动性较好，易于传送，而颗粒直径较 小的粉末(颗粒直径 FACE - RECTGANLE 输入如下： 在矩形上做（-20,0） ， （20,0）两点。通过按钮将两点连成直线。 然后通过 GEOMETRY -FACE将矩形分裂成两部分 再在矩形上做（-5,25），（5,25），（-5.8,25），（5.8,25），（-9.35,25）， 沈阳

11、理工大学学士学位论文 16 （9.35,25），（-9.95,25），（9.95,25） 八个分裂点，以此做出四个喷口，模型建立完成。 4.2.2 划分网格 划分网格步骤为先划分线网格再划分面网格，首先划分四个喷嘴的线网格操作步骤为： OPERATION-MESH-EDGE 划分两个面网格步骤为： OPERATION-MESH -FACE 4.2.3设定边界类型 划分边界条件操作不住为： OPERATION -ZONES 本模型边界条件有 5 个，两个气体进口速度，两个粉末进口速度，还有一个出口压力。 4.3 同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤 计算工况分为以下几种： 粉气同角时汇聚特性数值模拟 1、

12、两腔锥角变化对汇聚性能影响，两腔的锥角角度同为 60、65、70、75，粉 腔的进口速度为 2m/s，气腔的进口速度为 7.5m/s 时粉末的汇聚性能的比较。 2、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取以上模拟汇聚特性较好的两腔的锥角角度时， 考察气腔的进口速度分别为 5m/s、7.5m/s、10m/s 时粉末的汇聚性能。 粉气非同角时汇聚特性数值模拟 1、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取粉腔的锥角角度为 60、进口速度为 2m/s， 气腔的锥角角度为 90、保护气进口速度分别为 5m/s、7.5m/s、10m/s 时粉末的汇 聚性能的比较。 2、粉腔锥角变化的汇聚性能比较，选取气腔进口速度为7.5

13、m/s时，粉腔的锥角角度分 沈阳理工大学学士学位论文 17 别为60、65、70、75，粉末的汇聚性能模拟。 5汇聚过程的计算结果与分析 5.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析 根据同轴送粉汇聚过程的分析可知，影响同轴送粉汇聚性能和汇聚焦距的因素有 很多，主要有粉腔间隙、粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度等。在其他工艺参数一 定的条件下, 粉腔间隙越小, 粉末的汇聚性越好; 粉腔锥角越大, 粉末的汇聚焦距越 大,有利于零件的成形。本论文重点研究了粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度对粉末 汇聚的影响。 5.2 粉气同角时汇聚特性数值模拟 5.2.1 两腔锥角变化对汇聚性能影响 以下是两腔的锥角角度同为

14、60、65、70、75，粉腔的进口速度为 2m/s， 气腔的进口速度为 7.5m/s 时粉末的汇聚性能的比较，结果见图 5.1 至 5.8。 图5.1 气腔和粉腔锥角角度均为60时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 18 图 5.2 气腔和粉腔锥角角度均为 60时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.3 气腔和粉腔锥角角度均为65时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 19 图5.4 气腔和粉腔锥角角度均为65时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.5 气腔和粉腔锥角角度均为70时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 20 图5.6气腔和粉腔锥角角度均为70时，粉末汇聚的

15、速度矢量图 , 图5.7气腔和粉腔锥角角度均为75时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 21 图5.8 气腔和粉腔锥角角度均为75时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.1，图5.3所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%以上，图5.7所示表明粉末汇 聚的体积百分数在90%95%之间，图5.5所示表明粉末汇聚的体积百分数在之间 9090%，图5.7所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%95%之间。图5.1与5.3比较，由 汇聚点到喷嘴距离可以看出5.1要比5.3汇聚性略好。由此可见，当粉腔和气腔的锥角 角度均为60时，粉末的汇聚性能较好。 5.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响 选取以上模拟汇聚

16、特性较好的两腔的锥角角度为60时，考察气腔的进口速度分 别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能。结果见图5.9至5.14。 图 5.9 两腔锥角相同而改变气腔进口速度为 5m/s 时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 22 图5.10两腔锥角相同而改变气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.11两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 23 图5.12两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图 5.13 两腔锥角相同而改变气腔进口速度为 10m/s 时，粉末汇聚的体积百分数 沈阳理工大学学士学位论文 24 图5.14两腔锥角相同而改变气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.9所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%左右，图5.11所示表明粉末汇聚的体 积百分数在95%100%之间，图5.13所示表明粉末汇聚的体积百分数在70%80%之间。由 此可见，当保护气进口速度为7.5