繆佳，馬萬太

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210000)

0 引言

金屬噴射成形是在鑄造冶金和粉末冶金公益之后發(fā)展起來的第三類金屬材料制備方法,它是一種半固態(tài)近終成形的快速凝固的新技術(shù)。噴射形成過程涉及冶金、傳熱、化學(xué)以及流體力學(xué)等多門學(xué)科，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。噴射成形材料最終組織的影響因素主要包括：金屬熔體的霧化效果、在飛行過程中液滴的快速凝固、高速撞擊到冷收集器上的半固態(tài)凝固以及金屬組織的進(jìn)一步變化[1]。

金屬霧化，主要原理是由高速的霧化氣體吹動(dòng)金屬液體，并將其液流剝離。剝離的原理通過小波紋和液流表面上突起的壓力變化來驅(qū)動(dòng)霧化氣體作用的，其動(dòng)力與霧化氣體動(dòng)壓的大小成正比。衡量金屬霧化效果的一個(gè)重要指標(biāo)是液滴平均尺寸和分布情況，由于金屬霧化的過程相對(duì)比較復(fù)雜性,目前液流的破碎機(jī)理仍是以假設(shè)的條件為研究基礎(chǔ)，還未探索出比較準(zhǔn)確的理論依據(jù)。因此金屬的霧化顆粒尺寸分布情況目前還沒有較為精確的數(shù)值解，還依舊使用半經(jīng)驗(yàn)公式來分析描述霧化顆粒尺寸分布[2]。最為廣泛的應(yīng)用是Lubanska[3]和Nukiyama[4]的公式。液滴飛行階段的過程主要是在高速氣體流場(chǎng)中，各處的液滴運(yùn)動(dòng)與冷卻的過程。而這種氣體流場(chǎng)主要是由霧化腔、霧化壓力以及內(nèi)部幾何形式、氣體與液滴相互作用而形成的。

本文使用Ansys Fluent軟件，對(duì)限制性和非限制性兩種典型的噴射成形霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，研究分析兩種結(jié)構(gòu)霧化器的霧化效果，找出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。并以非限制性結(jié)構(gòu)霧化器為基礎(chǔ)，通過改變其噴射角度以及導(dǎo)液管內(nèi)徑來驗(yàn)證兩個(gè)參數(shù)合理的取值范圍。

1 霧化器的數(shù)學(xué)模型

1) 質(zhì)量守恒方程(又稱連續(xù)性方程)

(1)

方程式(1)適用于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)。其中Sm為源項(xiàng)，是指從分散的二級(jí)相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

二維軸對(duì)稱問題的連續(xù)性方程為：

(2)

2) 動(dòng)量守恒方程

在慣性(非加速性)坐標(biāo)系i方向上的動(dòng)量守恒方程為：

(3)

其中：p是靜壓，τij是應(yīng)力張量，ρgi和Fi分別是i方向上的重力體積力和外部體積力(如離散相相互作用產(chǎn)生的升力)。

由先驗(yàn)知識(shí)可知，二維軸對(duì)稱幾何外形的軸向動(dòng)量守恒方程和徑向動(dòng)量守恒方程分別為：

(4)

以及

(5)

其中：

(6)

式中：w為漩渦速度。

3) 能力方程

(7)

式中：keff——有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj'——組分j'的擴(kuò)散流量。

由式(7)可知，方程右邊前3項(xiàng)分別對(duì)熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和粘性耗散帶來的能力輸送進(jìn)行描述。Sh包括了化學(xué)反應(yīng)熱以及其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)[5]。

2 霧化器的幾何模型

由于霧化器為圓柱軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以不影響模擬效果為前提，以加快收斂速度和簡(jiǎn)化模擬過程為目標(biāo)，霧化器的幾何模型采用2D精度進(jìn)行模擬，且由于其2D模型為軸對(duì)稱，因此采取一半模型進(jìn)行建模仿真。為了能夠準(zhǔn)確對(duì)比分析2種結(jié)構(gòu)霧化器的霧化效果，此次將2種結(jié)構(gòu)霧化器的基本尺寸同一設(shè)置。霧化器環(huán)縫出口的寬度設(shè)置為0.4 mm，霧化器通道直徑設(shè)置為9 mm，氣流噴射角度設(shè)置為α=30°。在限制式的霧化器結(jié)構(gòu)模型中，將導(dǎo)流管外徑設(shè)置為9mm，內(nèi)徑設(shè)置為4 mm，導(dǎo)流管伸出長(zhǎng)度ΔL設(shè)置為1mm。

2種結(jié)構(gòu)的霧化器幾何模型建立后，如圖1、圖2所示。

圖1 非限制性結(jié)構(gòu)霧化器幾何模型

圖2 限制性結(jié)構(gòu)霧化器幾何模型

3 霧化效果仿真分析

圖3為非限制式結(jié)構(gòu)霧化器的氣體壓力和速度分布狀況，高壓氣體從環(huán)縫處高速噴射，氣體在噴射口的軸線處碰撞到金屬液流，從而形成折射，改變方向向下運(yùn)動(dòng)，脫離了環(huán)縫限制，氣流急劇膨脹，在非限制空間內(nèi)形成了自由的射流。在射流的邊緣，射流氣體分子與環(huán)境氣體分子之間相互碰撞，從而帶動(dòng)環(huán)境氣體一起運(yùn)動(dòng)。由于力的相互作用，環(huán)境氣體也對(duì)射流氣體產(chǎn)生拖拽效應(yīng)，其對(duì)射流氣體的加速過程有抑制作用，所以射流氣體周圍就會(huì)存在一個(gè)邊界層，其特點(diǎn)為內(nèi)高速、外低速。邊界層的這些特點(diǎn)使得氣流中心處的速度最高，并沿著徑向趨勢(shì)，其速度會(huì)逐步衰減。所以可以看出兩股射流的交匯處存在氣流速度為0的點(diǎn)。在該點(diǎn)上方的氣流相互碰撞，并且沿著徑向，速度會(huì)逐步衰減。并在軸線附近發(fā)生折射，從而改變初始運(yùn)動(dòng)方向(變?yōu)橛上孪蛏线\(yùn)動(dòng))。加上噴嘴的邊界層是由上而下運(yùn)動(dòng)的，因此產(chǎn)生了循環(huán)，形成了回流區(qū)，如圖4(a)所示[6-9]。

圖3 非限制式結(jié)構(gòu)霧化器的氣體壓力和速度分布狀況

圖4 兩種結(jié)構(gòu)霧化器的回流區(qū)形貌示意圖

限制式結(jié)構(gòu)霧化器的氣體壓力和速度分布如圖5所示?？梢钥闯?，其氣體壓力和速度分步與非限制式結(jié)構(gòu)霧化器的極為相似，并且其兩股射流的交匯處也存在氣流速度為0的點(diǎn)。此點(diǎn)的上方為回流區(qū)，下方為主流匯合區(qū)，主要的區(qū)別是兩者回流區(qū)的形貌和強(qiáng)度不同。

圖5 限制性結(jié)構(gòu)霧化器的氣體壓力和速度分布狀況

限制式結(jié)構(gòu)霧化器的霧化氣體從霧化器噴出后，因?yàn)閷?dǎo)流管伸出了一段距離，氣流向內(nèi)擴(kuò)張被限制，因此射流在初始階段形成了半封閉的空間。在這半封閉空間中，高速氣體的氣流存在貼壁效應(yīng)的問題，所以這些高速氣體在射流處就偏離了初始噴射角度，向外發(fā)生了側(cè)偏移，從而導(dǎo)致兩股射流的交匯點(diǎn)與非限制式結(jié)構(gòu)的霧化器相比下移了一段，如圖4(b)所示。

同時(shí)也可以看出，由于限制性結(jié)構(gòu)霧化器的霧化氣體自由射流存在向內(nèi)側(cè)擴(kuò)張的傾向，導(dǎo)致回流區(qū)被擠壓。而非限制結(jié)構(gòu)的霧化器避免了這個(gè)缺陷，其霧化氣體流場(chǎng)具有比較典型的自然補(bǔ)流特征，自上而下的自然氣流沿著霧化器通道內(nèi)壁的兩側(cè)進(jìn)行補(bǔ)充。并且在補(bǔ)給的過程中，由于環(huán)境的作用，使得回流外邊界動(dòng)量傳遞給了環(huán)境，從而使得外邊界回流速度較慢，從而在全局上使得循環(huán)變?nèi)?，回流各處的速度都有所降低?/p>

通過限制式結(jié)構(gòu)霧化器的霧化氣體回流區(qū)形貌示意圖可以看出，此結(jié)構(gòu)的霧化器沒有補(bǔ)流條件，因此會(huì)在回流區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓。而且在整個(gè)回流的過程中，動(dòng)量沒有減小，這種結(jié)構(gòu)回流區(qū)的循環(huán)全部是利用霧化氣流的邊界層運(yùn)動(dòng)來維持的，因此此結(jié)構(gòu)霧化器的回流強(qiáng)度比非限制式結(jié)構(gòu)的高。

從兩種結(jié)構(gòu)霧化器的霧化效果看，各有優(yōu)缺點(diǎn)。非限制性結(jié)構(gòu)的霧化器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且由于不存在負(fù)壓區(qū)，不易發(fā)生堵塞，但霧化的效率不高；限制式霧化器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，霧化效率較高，但霧化的過程不夠穩(wěn)定。

4 非限制性結(jié)構(gòu)霧化器參數(shù)的優(yōu)化

通過上述仿真分析可以得知，在同等條件下，非限制性結(jié)構(gòu)霧化器的霧化效果比限制性結(jié)構(gòu)霧化的霧化效果相對(duì)比較理想，因此本節(jié)以非限制性結(jié)構(gòu)霧化器為基礎(chǔ)進(jìn)一步探討霧化器的參數(shù)設(shè)定對(duì)霧化效果的影響。

根據(jù)目前生產(chǎn)實(shí)際中使用的霧化器結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，目前非限制性結(jié)構(gòu)霧化器的導(dǎo)液管內(nèi)徑一般設(shè)置為4～5mm，霧化氣體壓力1～1.5MPa，氣流噴射角度α為7～10°。因此本節(jié)選取此范圍內(nèi)的參數(shù)和此范圍外的參數(shù)分別做仿真對(duì)比分析，以驗(yàn)證此范圍參數(shù)選擇的合理性。

4.1 導(dǎo)液管內(nèi)徑對(duì)霧化效果影響

假設(shè)氣流噴射角度α=7°，霧化氣體壓力為1.4MPa，圖6為仿真分析導(dǎo)液管內(nèi)徑為4mm、4.5mm、5mm時(shí)的霧化效果。

圖6 不同導(dǎo)液管內(nèi)徑下的霧化效果

由圖6可知，導(dǎo)液管內(nèi)徑為4.5mm、5mm的情況下，仿真結(jié)果比較類似，金屬的霧化效率較高，處于比較理想的狀態(tài)，4.5mm條件下的最為理想。在4mm的導(dǎo)液管下，霧化效果不夠理想，霧化比較分散。

4.2 氣流噴射角度對(duì)霧化效果的影響

在理想的氣流噴射角度外選取一比較值(α=5°)來分析比較不同的氣體噴射角度設(shè)置對(duì)霧化效果的影響。導(dǎo)液管的內(nèi)徑依舊選擇4mm、4.5mm、5mm 3種情形。圖7為仿真分析的霧化效果。

圖7 α=5°下的霧化效果

通過對(duì)比圖6、圖7可知，在同樣的導(dǎo)液管內(nèi)徑條件下，噴射角度由7°變?yōu)?°后，霧化效果變差，霧化液滴分析越來也不均勻。驗(yàn)證了生產(chǎn)過程中噴射角度取值為7°的經(jīng)驗(yàn)做法的合理性。

5 結(jié)語

1) 對(duì)2個(gè)典型結(jié)構(gòu)霧化器的霧化效果進(jìn)行了仿真分析，采取了基本相同的參數(shù)設(shè)置，通過分析可以得出，非限制性結(jié)構(gòu)的霧化器結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且由于不存在負(fù)壓區(qū)，不易發(fā)生堵塞，但霧化的效率不高；限制式霧化器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，霧化效率較高，但霧化的過程不夠穩(wěn)定。

2) 以非限制性結(jié)構(gòu)霧化器為基礎(chǔ)，仿真在不同的導(dǎo)液管內(nèi)徑和噴射角度條件下的霧化情況，參數(shù)的設(shè)置以實(shí)際應(yīng)用中的取值為主，在此范圍外取一點(diǎn)進(jìn)行比較分析，通過對(duì)比可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用中采用的參數(shù)基本一致。

[1] 李榮德, 劉敬福. 噴射成形技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用概況[J]. 鑄造, 2009, 58(8): 797-803.

[2] 劉宏偉,張龍,王建江,等. 噴射成形工藝與理論研究進(jìn)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2007,30(3):63-67.

[3] Lubanska. H. Correlation of spray ring data for gas atomization of liquid metals[J]. Journal of Metals,1970 , 22 :45-49.

[4] Klar E, Fesko J W. Gas and water atomization,The ASM handbook committee eds[D]. Metals Handbook 19th edn, Powder Metallurgy. ASM Metals Park, 1984 :30.

[5] 劉偉軍. 低壓空氣霧化噴嘴的霧化特性的研究及最優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析[D]. 上海：華東工業(yè)大學(xué), 1995.

[6] 曲迎東. 限制式與非限制式結(jié)構(gòu)霧化氣體動(dòng)力學(xué)分析[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(5): 482-485.

[7] 劉秋林, 陳振華. 多層噴射沉積技術(shù)中的軌跡分析[J]. 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 29(1): 55-57.

[8] 徐玉冰. 錠坯雙噴嘴掃描噴射成形均勻沉積技術(shù)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2010.

[9] 張曉莉，孫德恩. 氣體霧化噴嘴及影響因素[J]. 焊接，1998，11(8)：11-13.

[10] 熊柏青，林耀軍，張永安，等. 雙層非限制式氣流霧化噴嘴：中國(guó)，98201214.4 [P]. 1999-04-21.