基于雙混合分?jǐn)?shù)的jp5000超音速火焰噴涂的仿真方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于雙混合分?jǐn)?shù)的JP5000超音速火焰噴涂的仿真方法，按照下述步驟進(jìn)行，利用前處理軟件劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域，設(shè)置求解器類(lèi)型，打開(kāi)能量方程，非預(yù)混模型，選擇燃料流為煤油，氧化劑流為氧氣，次級(jí)流為空氣；打開(kāi)離散相模型來(lái)追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為；設(shè)置邊界條件，材料屬性，同時(shí)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化，設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量，利用軟件對(duì)計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止。本發(fā)明采用了雙混合分?jǐn)?shù)的非預(yù)混燃燒模型，模擬氧化劑為氧氣，出口為空氣的JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程，提高了仿真模擬的準(zhǔn)確性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于雙混合分?jǐn)?shù)的JP5000超音速火焰噴涂的仿真方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱噴涂領(lǐng)域，更加具體地說(shuō)，涉及JP5000超音速?lài)娡款I(lǐng)域的一種數(shù)值仿真計(jì)算方法，即一種預(yù)測(cè)和分析JP5000超音速?lài)娡窟^(guò)程中壓強(qiáng)、溫度、速度、組分等參數(shù)的數(shù)值仿真方法。

【背景技術(shù)】
[0002]熱噴涂技術(shù)可以噴涂一些耐磨、耐熱、耐腐蝕的材料從而可以延長(zhǎng)零部件的壽命、提高零部件的性能并可以降低維修成本。超音速?lài)娡考夹g(shù)相比于其他熱噴涂技術(shù)如等離子噴涂，由于其獨(dú)特的特性——溫度相對(duì)較低、速度很高，因而噴涂材料不易過(guò)熱而撞擊基體的速度極高，得到的涂層結(jié)合力很高、孔隙率很低，所以超音速?lài)娡揩@得了很好的應(yīng)用。
[0003]實(shí)際應(yīng)用中往往需要優(yōu)化工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)若采用試驗(yàn)的方法則需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，代價(jià)較大，此時(shí)可以使用CFD來(lái)進(jìn)行數(shù)值仿真來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)。CFD軟件是計(jì)算流體力學(xué)(Computat1nal fluid Dynamics)軟件的簡(jiǎn)稱(chēng),是專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)的軟件。通過(guò)CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場(chǎng)中的現(xiàn)象，在比較短的時(shí)間內(nèi)，能預(yù)測(cè)性能，并通過(guò)改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和規(guī)律的得出起到很好的指導(dǎo)作用。
[0004]目前，由于超音速熱噴涂過(guò)程涉及到的物理化學(xué)現(xiàn)象復(fù)雜而眾多，研究較少，而且煤油燃燒這一過(guò)程往往采用簡(jiǎn)單的單步完全燃燒這一假設(shè)來(lái)處理，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往相差較大。若采用詳細(xì)化學(xué)機(jī)理，雖然提高了結(jié)果精度，但是由于耦合了大量組分方程，計(jì)算量往往很大，采用基于化學(xué)平衡的PDF表的非預(yù)混燃燒模型可以避免求解大量組分方程，同時(shí)結(jié)果也較符合實(shí)際。但是對(duì)于燃料為液態(tài)煤油，氧化劑為純氧氣，外部空間的邊界又是空氣的JP5000超音速火焰噴涂，采用單一混合分?jǐn)?shù)無(wú)法反應(yīng)這一物理模型，必須采用雙混合分?jǐn)?shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于使用煤油燃燒的非預(yù)混燃燒模型并結(jié)合雙混合分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算煤油與氧氣的燃燒過(guò)程，使得計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際、更準(zhǔn)確。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)目的通過(guò)下述技術(shù)方案與以實(shí)現(xiàn):
[0007]基于雙混合分?jǐn)?shù)的JP5000超音速火焰噴涂的仿真方法，按照下述步驟進(jìn)行:
[0008](I)利用前處理軟件Gambit，以JP5000噴槍所包含的內(nèi)部以及合適的外部空間區(qū)域?yàn)閷?duì)象，對(duì)其劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域；
[0009](2)對(duì)步驟(I)所建立的求解區(qū)域設(shè)置求解器類(lèi)型，打開(kāi)能量方程；
[0010](3)打開(kāi)Realizablek- ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)以及粘性耗散；
[0011](4)打開(kāi)非預(yù)混模型，選擇燃料流為煤油，氧化劑流為氧氣，次級(jí)流為空氣，生成雙混合分?jǐn)?shù)下的PDF表；
[0012](5)打開(kāi)離散相模型(DPM)來(lái)追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為；
[0013](6)為上述控制方程設(shè)置邊界條件。在入口處把組分的混合分?jǐn)?shù)，混合分?jǐn)?shù)方差都設(shè)為0，在出口處把次級(jí)流的混合分?jǐn)?shù)設(shè)為1，其余混合分?jǐn)?shù)以及方差均為O ;
[0014](7)定義pdf材料的屬性,其中氣相密度選擇為pdf ;比容選擇為mixinglaw ;
[0015](8)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化；初始計(jì)算時(shí)使用一階迎風(fēng)格式，待收斂后再改成更為精確的高階格式；用coupled算法解決壓力與速度的耦合問(wèn)題，初始計(jì)算時(shí)亞松弛因子取默認(rèn)值的一半。
[0016](9)設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量；能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10_6，其他方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為1(Γ3。
[0017](10)利用FLUENT軟件對(duì)計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，由于模型較多，殘差下降較困難，此時(shí)也可以通過(guò)質(zhì)量守恒以及能量守恒來(lái)判斷收斂與否，最終完成超音速火焰噴涂過(guò)程的仿真。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了雙混合分?jǐn)?shù)的非預(yù)混燃燒模型，可以模擬氧化劑為氧氣，出口為空氣的JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程，提高了仿真模擬的準(zhǔn)確性。本發(fā)明提供一種基于雙混合分?jǐn)?shù)的非預(yù)混燃燒模型的JP5000超音速火焰噴涂的仿真方法?？梢匝杆俨⑶抑庇^地模擬出JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程中各個(gè)位置處的壓強(qiáng)、溫度、速度、組分濃度。本發(fā)明方法可通過(guò)改變工藝參數(shù)來(lái)研究工藝參數(shù)對(duì)噴涂過(guò)程的影響，為設(shè)計(jì)和優(yōu)化JP5000超音速火焰噴涂工藝參數(shù)提供參考，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明中JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程中的溫度分布云圖。
[0020]圖2為本發(fā)明中JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程中的速度分布云圖。
[0021]圖3為本發(fā)明中JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程中N2質(zhì)量濃度分布云圖。
[0022]圖4為本發(fā)明中JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程中的O2質(zhì)量濃度分布云圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本發(fā)明涉及的區(qū)域模型為噴涂距離300mm。外部場(chǎng)域?qū)挾葹?0倍噴槍管徑。入口、出口溫度均為室溫300K。氧氣和煤油的流量分別為0.03kg/s，0.01kg/s。入口壓強(qiáng)為7atm。其主要實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0025](I)利用前處理軟件Gambit，以JP5000噴槍幾何所包含的內(nèi)部以及上述描述的外部空間區(qū)域?yàn)閷?duì)象，對(duì)其劃分四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域；
[0026](2)把步驟(I)所建立的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent內(nèi)，對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格進(jìn)行Scale，使導(dǎo)入的網(wǎng)格單位由m轉(zhuǎn)換成mm ;檢查網(wǎng)格，保證不存在負(fù)體積；
[0027](3)為求解區(qū)域設(shè)置壓力求解器，選擇穩(wěn)態(tài)計(jì)算，開(kāi)啟能量方程；
[0028](4)開(kāi)啟Realizablek- ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)以及粘性耗散，其余采用默認(rèn)設(shè)置；
[0029](5)開(kāi)啟非預(yù)混燃燒模型(Non-Premixed Combust1n),考慮壓縮效應(yīng)(Compressibility Effects)創(chuàng)建F1DF表,創(chuàng)建PDF表時(shí)，激活次級(jí)流(secondary stream),選擇燃料流為煤油(C12H23 )，氧化劑流為氧氣(02 )，次級(jí)流為空氣(Air )，生成雙混合分?jǐn)?shù)下的I3DF表；
[0030](6)開(kāi)啟離散相模型(DPM)，離散相與連續(xù)相之間通過(guò)進(jìn)行耦合計(jì)算來(lái)追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為；
[0031](8)定義混合氣體材料的物性，其中氣相密度選擇為Pdf，表示混合氣體的密度是通過(guò)對(duì)前面所創(chuàng)建的PDF表檢索得到的；比容選擇為mixinglaw,表示混合氣體的比容是各個(gè)純氣體組分比容的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值，每個(gè)氣體組分的比容采用默認(rèn)的設(shè)置；
[0032](7)為上述開(kāi)啟的模型設(shè)置邊界條件。在入口處把燃料流、次級(jí)流的混合分?jǐn)?shù)f(mixture fract1n),混合分?jǐn)?shù)方差(mixture fract1n variance)這些變量的數(shù)值都設(shè)為0，這就表示在入口處為純氧氣；在出口處把次級(jí)流的混合分?jǐn)?shù)設(shè)為1，而燃料流的混合分?jǐn)?shù)以及混合分?jǐn)?shù)方差均為0，這就表示在出口處為純次級(jí)流(空氣)；
[0033](8)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化；選擇coupled算法來(lái)處理速度和壓力的耦合關(guān)系，對(duì)流項(xiàng)的離散格式在初始計(jì)算時(shí)使用一階迎風(fēng)格式，待收斂后再改成更為精確的二階迎風(fēng)格式；初始計(jì)算時(shí)亞松弛因子取默認(rèn)值的一半，待計(jì)算穩(wěn)定后，再逐漸增大亞松弛因子到默認(rèn)值。初始化采用混合初始化(HybridInitializat1n)；
[0034](7)設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量；能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-6，其他方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-3。
[0035](8)利用FLUENT軟件對(duì)計(jì)算域內(nèi)經(jīng)過(guò)離散之后得到的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，由于模型較多，殘差下降較困難，此時(shí)也可以通過(guò)質(zhì)量守恒以及能量守恒(差值< 0.5%)來(lái)判斷收斂與否，最終完成超音速火焰噴涂過(guò)程的仿真。
[0036]通過(guò)上述求解過(guò)程得到了每一個(gè)工藝參數(shù)下的結(jié)果文件，需要通過(guò)后處理當(dāng)中的云圖、XY圖等方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表示。計(jì)算表明，計(jì)算得到的外部空間的氣體是氮?dú)?wt%76.7) +氧氣(wt%23.3)，即代表空氣。消除了單混合分?jǐn)?shù)的不足。通過(guò)對(duì)JP5000超音速火焰噴涂過(guò)程進(jìn)行的數(shù)值模擬，可以得到氣相的溫度、速度、組分年度分布圖。研究人員可以通過(guò)本發(fā)明獲知不同熱噴涂工藝參數(shù)下整個(gè)流場(chǎng)的所關(guān)心變量的參數(shù)值，為研究人員提供了參考依據(jù)。
[0037]以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于雙混合分?jǐn)?shù)的JP5000超音速火焰噴涂的仿真方法，其特征在于，按照下述步驟進(jìn)行: (1)利用前處理軟件Gambit，以JP5000噴槍所包含的內(nèi)部以及合適的外部空間區(qū)域?yàn)閷?duì)象，對(duì)其劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域； (2)對(duì)步驟(I)所建立的求解區(qū)域設(shè)置求解器類(lèi)型，打開(kāi)能量方程； (3)打開(kāi)Realizablek-ε湍流模型，并采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)以及粘性耗散； (4)打開(kāi)非預(yù)混模型，選擇燃料流為煤油，氧化劑流為氧氣，次級(jí)流為空氣，生成雙混合分?jǐn)?shù)下的PDF表； (5)打開(kāi)離散相模型(DPM)來(lái)追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為； (6)為上述控制方程設(shè)置邊界條件。在入口處把組分的混合分?jǐn)?shù)，混合分?jǐn)?shù)方差都設(shè)為O，在出口處把次級(jí)流的混合分?jǐn)?shù)設(shè)為1，其余混合分?jǐn)?shù)以及方差均為O ; (7)定義pdf材料的屬性,其中氣相密度選擇為pdf;比容選擇為mixinglaw ； (8)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化；初始計(jì)算時(shí)使用一階迎風(fēng)格式，待收斂后再改成更為精確的高階格式；用coupled算法解決壓力與速度的耦合問(wèn)題，初始計(jì)算時(shí)亞松弛因子取默認(rèn)值的一半； (9)設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量；能量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10_6，其他方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)為I (T3 ； (10)利用FLUENT軟件對(duì)計(jì)算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，由于模型較多，殘差下降較困難，此時(shí)也可以通過(guò)質(zhì)量守恒以及能量守恒來(lái)判斷收斂與否，最終完成超音速火焰噴涂過(guò)程的仿真。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104516999SQ201310468990
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】馬佰慶, 王立君 申請(qǐng)人:天津大學(xué)