翻譯：上海安世亞太

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引言

近十年以來(lái)，熱噴涂技術(shù)在機(jī)械部件上應(yīng)用亞微米和納米結(jié)構(gòu)層的運(yùn)用顯著增多。傳統(tǒng)的HVOF噴涂工藝已不再適合捕捉亞微米和納米顆粒。因此，為達(dá)到期望的優(yōu)異機(jī)械和物理性能，高速懸浮火焰噴涂 (HVSFS) 已開(kāi)發(fā)用于納米結(jié)構(gòu)噴涂材料的加工，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化結(jié)構(gòu)的超聲速高密度面層。然而，HVSFS反應(yīng)流場(chǎng)中發(fā)生的化學(xué)和熱力學(xué)現(xiàn)象是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多學(xué)科問(wèn)題。本研究旨在基于CFD模型，分析和探討HVSFS燃燒和動(dòng)力學(xué)流動(dòng)系統(tǒng)。該模型涉及了以下現(xiàn)象：(預(yù)混合)燃料氣體的燃燒、火焰和懸滴(有機(jī)溶劑和顆粒)之間的能量傳遞以及懸浮有機(jī)溶劑(非預(yù)混合)的噴射、蒸發(fā)和燃燒。

目前熱噴涂技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一是納米結(jié)構(gòu)涂層和功能表面的制造。有發(fā)現(xiàn)證明該材料的性能在強(qiáng)度、硬度、延展性和可燒結(jié)性方面，均有優(yōu)于傳統(tǒng)金屬或陶瓷涂層材料的性能，因此促進(jìn)了制造發(fā)展。另外，將涂覆材料的晶粒尺寸從常規(guī)水平(即，金屬中< 10μm，陶瓷中< 1-2μm) 減小到納米結(jié)構(gòu)水平(即，< 100 nm) 可顯著提高其機(jī)械強(qiáng)度和硬度。

由納米顆粒（< 100 nm）組成的粉末在處理和加工過(guò)程中是極其關(guān)鍵的。這些材料對(duì)健康構(gòu)成危險(xiǎn)的可能性尚未得到全面檢查和充分了解。并且納米顆粒容易在空氣中分布，穿透人體皮膚或通過(guò)呼吸道和肺，最終進(jìn)入血液循環(huán)。簡(jiǎn)而言之，不能用傳統(tǒng)粉末進(jìn)料器技術(shù)進(jìn)料亞微米或甚至納米粉末，不僅僅是出于安全考慮，禁止在慣用條件下進(jìn)行任何再填充、清潔等，而且由于粉末顆粒的強(qiáng)烈附聚會(huì)妨礙良好的流動(dòng)性，所以實(shí)際上不可能進(jìn)行機(jī)械進(jìn)料。以懸浮液形式處理粉末(在水性或有機(jī)溶劑中)解決了這些問(wèn)題，操作方便并且可以通過(guò)相當(dāng)簡(jiǎn)單的熱噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)液體進(jìn)料。

目前，納米結(jié)構(gòu)材料研究的焦點(diǎn)正從粉末合成轉(zhuǎn)向使用超音速熱噴涂工藝處理納米結(jié)構(gòu)涂層。為了形成薄且致密的涂層，這種基于傳統(tǒng)高速氧化物燃料 (HVOF) 熱噴涂的新方法包括以高超音速噴涂亞微米或納米顆粒的方法。HVOF噴涂是除火焰、電弧線或大氣等離子噴涂外的一種長(zhǎng)期存在的技術(shù)。與等離子體噴涂工藝相比，HVOF熱噴涂工藝在相對(duì)低的氣體溫度條件下具有極高的氣體和顆粒速度。HVOF應(yīng)用的主要陶瓷涂層被廣泛地改進(jìn)為耐腐蝕、防腐蝕、防粘合、耐磨表面層或這些涂層的組合，以延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、提高性能并減少時(shí)間和成本。然而，傳統(tǒng)的HVOF熱噴涂系統(tǒng)僅適用于微尺度粉末的加工，并且由于粉末供應(yīng)和上述幾個(gè)困難，在粉末尺寸上具有明顯的限制。這意味著納米級(jí)粉末的加工需要對(duì)HVOF工藝進(jìn)行一些調(diào)整。

 

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HVSFS技術(shù)

與SPS和SPPS相比，高速懸浮火焰噴涂 (HVSFS) 也使用液體溶劑作為載體流體來(lái)處理納米材料。在這些技術(shù)（SPS、SPPS、HVSFS）中，涂層材料是以懸浮液的形式加工的。懸浮液是含有固體顆粒和溶液的非均勻混合物。在本研究所（IFKB）中，使用水性和有機(jī)溶劑（乙醇、異丙醇）制備了各種懸浮液。這包括將粉末與溶劑混合并用適當(dāng)?shù)姆稚?nbsp;(i.作為Trukem的Trusan 471）和穩(wěn)定劑（檸檬酸、乙酸）以確保穩(wěn)定的分散體。固體含量在10–15 wt.%之間。以蒸餾水、乙醇和異丙醇為溶劑。隨后使用研磨機(jī) (Dispermat SL，Getzmann) 研磨懸浮液以防止任何結(jié)塊形成。該程序后，所有混懸液均顯示出足夠的穩(wěn)定性，并可準(zhǔn)備進(jìn)行下一步處理 。

通過(guò)HVSFS技術(shù)，懸浮液可直接(居中且沿軸方向)噴射到操作torch的燃燒室中，其中液體有助于燃燒過(guò)程的反應(yīng)焓。懸浮液必須在燃燒室壓力下輸送，就像標(biāo)準(zhǔn)粉末輸送一樣，但要有一個(gè)特殊的進(jìn)料系統(tǒng)。為對(duì)HVSFS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，用于保持懸浮液的壓力容器會(huì)在IFKB實(shí)驗(yàn)室使用，并且該懸浮液是使用壓縮氮?dú)獠僮鞯摹?/p>

該進(jìn)料器技術(shù)用于輸送懸浮液，并通過(guò)使用攪拌裝置之類的方法防止懸浮液在不太穩(wěn)定的情況沉積。閥門可在懸浮液和沖洗氣或溶劑之間切換，以防止在開(kāi)始或終止噴涂操作時(shí)懸浮液管路堵塞。與傳統(tǒng)的粉末進(jìn)料相比，這種注射工藝在壓力分布方面具有一些困難，并且還有成分變化和成分原位變化的可能性。因此，在早期的工作中，會(huì)通過(guò)修改噴嘴幾何形狀來(lái)優(yōu)化懸浮液的注入行為。

一種解決方法是在熱噴涂系統(tǒng)中使用溶液作為納米結(jié)構(gòu)材料處理的載體流體。該方法與標(biāo)準(zhǔn)HVOF工藝相比，具有新HVSFS工藝的一些熱物理和熱化學(xué)變化。這些包括第三相(液體)的存在，其在噴qiang中的蒸發(fā)和燃燒，包括冷卻效應(yīng)，以及所得顆粒形態(tài)(團(tuán)聚)與常規(guī)HVOF方法不同。在該過(guò)程中，懸浮液和顆粒的化學(xué)、熱、熱物理和形態(tài)狀態(tài)最終決定了涂層的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。霧滴大小、噴射速度、溶液蒸發(fā)和初始燃燒位置、燃燒室和膨脹噴嘴中的火焰溫度和流速場(chǎng)等參數(shù)都對(duì)涂層結(jié)構(gòu)和性能的最終結(jié)果有顯著影響。

關(guān)于HVSFS的熱物理和熱化學(xué)性質(zhì)，在分析燃燒室中的過(guò)程時(shí)必須考慮以下現(xiàn)象：

• 燃料氣體(預(yù)混合氧/丙烷)的燃燒

• 火焰(丙烷火焰)和懸浮液滴(有機(jī)溶劑和顆粒)之間的熱量、動(dòng)量和質(zhì)量傳遞

• 懸浮有機(jī)溶劑的蒸發(fā)和燃燒（非預(yù)混乙醇燃燒）

本文以工業(yè)TopGun—G torch為例，對(duì)HVSFS過(guò)程的燃燒和氣體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了三維模擬和分析，其中包括乙醇蒸發(fā)的模擬和氣液、氣粒相互作用機(jī)理的分析。用歐拉法求解氣體的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，用拉格朗日法求解顆粒速度、溫度和熔化度。從氣體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，在商用CFD軟件ANSYS CFX上求解雷諾方程和Favre average Navier-Stokes方程。由于燃燒室和噴嘴中的雷諾數(shù)較高，壓力梯度較大，為了考慮壁面摩擦和傳熱，采用考慮可壓縮湍流壁面函數(shù)的κ-ε湍流模型。采用反應(yīng)速率受湍流混合速率限制的渦流耗散模型模擬預(yù)混燃燒(丙烷)期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在液體蒸發(fā)模型中使用Antoine方程假設(shè)，確定燃燒室中能量轉(zhuǎn)移期間的液滴特性(溫度、速度、直徑等)。液滴蒸發(fā)后，利用有限速率化學(xué)模型求解擴(kuò)散燃燒（非預(yù)混合乙醇蒸氣）期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速率。根據(jù)每個(gè)顆粒的韋伯和雷諾數(shù)，采用分散液滴的Blob法和分散固體的ETAP法對(duì)顆粒破裂進(jìn)行模擬。

Blob方法是定義液滴噴射條件的最簡(jiǎn)單和最流行的方法之一。在該方法中，假定不需要詳細(xì)描述噴霧的主破碎區(qū)內(nèi)的霧化和破碎過(guò)程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動(dòng)誘導(dǎo)，進(jìn)行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設(shè)置，是此過(guò)程中的默認(rèn)噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級(jí)和納米級(jí)的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數(shù)可驗(yàn)證模型中的粉末粒度分布。假設(shè)顆粒對(duì)氣體性質(zhì)沒(méi)有明顯影響，氣體和液體之間的能量和質(zhì)量傳遞使用雙向耦合，而在模擬從氣體到固體顆粒的熱和動(dòng)能傳遞時(shí)使用單向耦合。

 

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HVSFS過(guò)程的理論與模擬

HVSFS熱噴涂過(guò)程的數(shù)值模擬是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多學(xué)科問(wèn)題。其物理過(guò)程包括兩相燃燒、液滴蒸發(fā)、湍流、可壓縮流體、多組分、多相相互作用、亞音速/超音速轉(zhuǎn)變、液滴變形和凝固。傳統(tǒng)HVOF工藝的模擬結(jié)果表明，單一納米級(jí)顆粒不適合使用標(biāo)準(zhǔn)HVOF系統(tǒng)進(jìn)行處理，因此需要有機(jī)溶液作為載體液體，以在噴qiang中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的顆粒輸送和加速。用于納米顆粒加工的傳統(tǒng)HVOF噴涂的應(yīng)用包括將納米結(jié)構(gòu)化粉末與有機(jī)溶劑(例如乙醇或異丙醇)混合以獲得如上所述的懸浮液，該懸浮液可被注入HVOF燃燒室以形成單個(gè)液滴，該液滴將在加熱和加速期間在飛行中干燥并釋放納米級(jí)粉末。

2.1 幾何建模和工藝參數(shù)

HVSFS過(guò)程的幾何設(shè)計(jì)是基于由燃燒室和收斂直膨脹噴嘴組成的TopGun—G torch完成的。早期工作中也使用相同的幾何模型來(lái)模擬HVOF過(guò)程 。在作為預(yù)混的氧/燃料混合物進(jìn)入燃燒室之前，燃料氣體(此處為丙烷)和氧氣分別通過(guò)各種小通道噴射到混合室或混合箱中。HVOF和HVSFS工藝的主要區(qū)別在于涂層材料的制備和加工。如圖1所示，懸浮液滴直接軸向噴到Torch操作炬（GTV-G系統(tǒng)，來(lái)自GTV-G GmbH）的燃燒室中，其中溶液被蒸發(fā)和燃燒，納米顆粒通過(guò)膨脹氣體熔融并加速到襯底表面上。

圖1：計(jì)算域（HVSFS過(guò)程的3D對(duì)稱段）

如上所述，HVSFS模型包括兩個(gè)主要部分：燃燒室和膨脹噴嘴。重點(diǎn)關(guān)注的是丙烷的湍流預(yù)混燃燒和乙醇的蒸發(fā)，然后在燃燒室和膨脹噴嘴中發(fā)生非預(yù)混燃燒。將乙醇注入燃燒室，霧化，并形成分散的液體顆粒(液滴)。假設(shè)在霧化期間，會(huì)產(chǎn)生0.3mm的初始均勻液滴直徑(注射噴嘴的直徑)。本研究的燃燒室入口的初始建模參數(shù)和壁面以及TopGun – G torch出口的邊界條件如下表所示。

表1：使用氧/燃料比0.8的HVSFS邊界條件的參數(shù)

HVSFS燃燒室中的丙烷燃燒導(dǎo)致膨脹噴嘴中具有亞音速到超音速轉(zhuǎn)變的高氣體速度。此外，在自由射流區(qū)域中，氣體膨脹期間發(fā)生超音速?zèng)_擊波形式的流動(dòng)不穩(wěn)定性，將在之后討論。本文簡(jiǎn)化了表示火焰膨脹區(qū)的開(kāi)放（自由）邊界區(qū)域的模擬。

2.2 HVSFS工藝反應(yīng)機(jī)理分析

在燃燒室中燃料氣體和氧氣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致放熱和反應(yīng)產(chǎn)物。熱能利用收斂噴嘴通過(guò)氣體膨脹轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，伴隨著氣體向顆粒傳遞動(dòng)量和熱量，顆粒是具有二氧化鈦粉末含量的乙醇液滴。這導(dǎo)致液滴的進(jìn)一步霧化以及在HVSFS焊炬中達(dá)到飽和溫度的乙醇蒸發(fā)和燃燒，最后導(dǎo)致固體顆粒(二氧化鈦)的熔融和加速。因此，HVSFS的燃燒過(guò)程包括兩個(gè)主要階段：-初級(jí)預(yù)混氧-丙烷反應(yīng)。-二級(jí)、非預(yù)混合氧-乙醇反應(yīng)。 

采用ANSYSCFX 11中湍流反應(yīng)流的渦耗散模型，對(duì)預(yù)混燃燒進(jìn)行了模擬。然而，對(duì)于HVSFS過(guò)程，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)于乙醇完全燃燒而言是超化學(xué)計(jì)量的，殘余氧將用作乙醇燃燒的擴(kuò)散火焰。與預(yù)混燃燒系統(tǒng)相關(guān)的二次、非預(yù)混燃燒的模擬是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。主要困難在于乙醇從液體到氣體的相變，相變必須在第一步中完成乙醇從分散液滴向連續(xù)氣體的傳質(zhì)模擬。這是將燃燒模擬為擴(kuò)散火焰的先決條件。

使用液體蒸發(fā)模型來(lái)模擬乙醇液滴的蒸發(fā)，所述液體蒸發(fā)模型結(jié)合了往返于(液體)顆粒的熱和質(zhì)量傳遞以及連續(xù)氣相處于高于顆粒的溫度的前提。該模型使用兩個(gè)傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式，這取決于液滴是高于還是低于沸點(diǎn)。通過(guò)Antoine方程確定，由下式給出：

其中，A (7.5K), B (1741 K) and C (238.1K)是本用戶提供的用于本研究的乙醇系數(shù)。如果蒸汽壓力（Pvap）大于氣相壓力P，則顆粒沸騰。

乙醇的沸點(diǎn)約為351.6K，HVSFS燃燒室中的溫度范圍T在3200 K以內(nèi)。因此，從連續(xù)氣體到乙醇液滴的質(zhì)量轉(zhuǎn)移由對(duì)流熱傳遞Qc決定：

在該方程中，mp是乙醇液滴的質(zhì)量，V是乙醇汽化時(shí)隨溫度變化的潛熱。

針對(duì)乙醇擴(kuò)散燃燒過(guò)程，有不同的模型和方法，這些方法中還對(duì)模型和方法的精度進(jìn)行了測(cè)試和比較。此外，ANSYS CFX 11中使用了Arrhenius形式對(duì)非預(yù)混烴燃料氧化進(jìn)行預(yù)測(cè)，本文利用FORTRAN子程序?qū)rrhenius格式的有限速率化學(xué)模型進(jìn)行了修正，用于乙醇燃燒的模擬和計(jì)算。

2.3 HVSFS過(guò)程的守恒和傳輸方程

HVSFS熱噴涂過(guò)程是一種非均勻多相流動(dòng)過(guò)程，其中連續(xù)氣體動(dòng)力學(xué)和顆粒（乙醇液滴和二氧化鈦粉末）動(dòng)力學(xué)相互耦合。在整個(gè)HVSFS熱噴涂過(guò)程中，懸浮體中的固體顆粒(二氧化鈦)負(fù)載約為10%并且通常小于4%，因此，通常進(jìn)行單向耦合的假設(shè) 。在這種假設(shè)下，粒子的存在對(duì)氣體動(dòng)力學(xué)的影響是可以忽略的，而粒子的速度和溫度可以根據(jù)兩相動(dòng)量和傳熱方程來(lái)確定。然而，由于HVSFS torch蒸發(fā)過(guò)程中乙醇的假定冷卻效應(yīng)，對(duì)連續(xù)氣體與分散乙醇液滴之間的能量和質(zhì)量傳遞進(jìn)行了雙向耦合假設(shè)。用于描述熱噴涂過(guò)程的控制方程是質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、物質(zhì)輸運(yùn)守恒方程、湍流動(dòng)能守恒方程和耗散速率守恒方程。描述這一過(guò)程的方程組用有限體積法進(jìn)行離散，并用商用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值求解。計(jì)算域如圖1所示。該系統(tǒng)中的燃燒和輸送過(guò)程可以假定為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱問(wèn)題。由于焊炬的對(duì)稱幾何形狀和過(guò)程邊界條件，僅需對(duì)非結(jié)構(gòu)化三維網(wǎng)格的一段進(jìn)行建模，并將流動(dòng)描述為與中心線徑向?qū)ΨQ。這樣可以減少計(jì)算時(shí)間。

在拉格朗日（Lagrange）假設(shè)的基礎(chǔ)上，先前工作已討論不同力(阻力、壓力、升力、熱差、虛力)下連續(xù)氣體向分散顆粒的動(dòng)量傳遞以及對(duì)流換熱和輻射換熱。

 

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數(shù)值結(jié)果與優(yōu)化

3. 1 反應(yīng)機(jī)制

Westbrook和Dryer給出的常見(jiàn)碳?xì)浠衔锶紵齽?dòng)力學(xué)模型概述中包含鏈支化步驟。該步驟在一側(cè)產(chǎn)生CO和H2作為碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)的初級(jí)產(chǎn)物，另一側(cè)包含氧氫（H2O）反應(yīng)機(jī)制和隨后發(fā)生緩慢二級(jí)反應(yīng)過(guò)程的CO氧化（CO2）。在丙烷完全燃燒之后，參與預(yù)混合丙烷燃料與過(guò)量氧的燃燒和乙醇燃料與氧殘余物的非預(yù)混合燃燒的每個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)顯示于圖2中。有趣的是，觀察到乙醇液滴在燃燒室中的噴霧破碎情況，其中C2H6O氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在噴射后接近于零，并且在軸向位置處緩慢增加約 0.035 m（噴嘴內(nèi)）；乙醇開(kāi)始蒸發(fā)，直至完全蒸發(fā)和相變（液體變?yōu)闅怏w）。該過(guò)程中，在氣體乙醇燃燒之前和質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著中心線降低之前，乙醇的蒸發(fā)點(diǎn)也位于乙醇?xì)怏w質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值上（mf=0.35）。

到達(dá)乙醇蒸發(fā)點(diǎn)時(shí)，過(guò)量氧的存在會(huì)導(dǎo)致作為擴(kuò)散火焰的氣態(tài)乙醇的燃燒（乙醇蒸汽的非預(yù)混合燃燒）。在乙醇蒸發(fā)和相變時(shí)，顆粒（液滴）尺寸趨向于零，隨后是氣態(tài)乙醇的燃燒。值得注意的是，乙醇的蒸發(fā)主要發(fā)生在噴嘴入口后面的區(qū)域。這是由于高速懸浮噴射結(jié)合從火焰到冷顆粒的熱傳遞（入口處293 K）導(dǎo)致的。

圖2：HVSFS torch中C2H6O氣體成分和氧氣、丙烷以及丙烷和乙醇（氣體）氧化反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

 3. 2 流體和顆粒特性

基于HVSFS熱噴涂過(guò)程是一個(gè)非均勻多相系統(tǒng)的事實(shí)，乙醇液滴在該系統(tǒng)中相對(duì)連續(xù)氣相移動(dòng)。這使得能夠?qū)B續(xù)氣體性質(zhì)和粒子飛行行為進(jìn)行分開(kāi)說(shuō)明。

從氣體到懸浮顆粒的熱量和動(dòng)量傳遞很大程度上取決于兩相之間的速度和溫差。在高相對(duì)速度下，顆粒上的阻力不僅是雷諾數(shù)的函數(shù)，還是馬赫數(shù)的函數(shù)。氣體與顆粒之間的傳熱系數(shù)也取決于壓縮性效應(yīng)。

圖3是氣體火焰溫度的等值線圖，表示在燃燒室外部發(fā)生的乙醇蒸發(fā)的冷卻效果。圖3中代表內(nèi)部流場(chǎng)和外部流場(chǎng)中靜壓和馬赫數(shù)的中心線輪廓隨著排氣通過(guò)噴嘴膨脹，該噴嘴具有靠近燃燒室的收斂輪廓和靠近出口的直線輪廓，壓力不斷降低并且氣體速度連續(xù)增加。在噴嘴的入口，馬赫數(shù)增加。如圖3所示，氣體在噴嘴膨脹期間加速，并在噴嘴出口處達(dá)到超音速（馬赫數(shù)2.3）

圖3：連續(xù)氣相（從燃燒室到基底）中靜壓、馬赫數(shù)及溫度中心線剖面等值線圖

在燃燒室中，預(yù)混反應(yīng)物（氧/丙烷）的反應(yīng)導(dǎo)致氣體溫度升高至3200 K以上，并且壓力在3bar（約3.65巴（中心線處）區(qū)域內(nèi)。圖4左圖中顯示了連續(xù)氣體和分散顆粒(乙醇液體直至汽化和具有不同尺寸范圍的二氧化鈦顆粒)的溫度分布。連續(xù)氣相的中心線剖面清楚地顯示了乙醇汽化的冷卻效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致在計(jì)算時(shí)損失700 K溫度。然而，由于乙醇燃燒，反應(yīng)氣體的溫度沿中心線迅速升高到大約3200 K。此外，由于與環(huán)境氣體混合，氣體溫度沿著自由射流區(qū)域中的中心線連續(xù)降低。

顆粒的比熱、密度和熔點(diǎn)是選擇合適的燃?xì)鈺r(shí)要考慮的重要性質(zhì)。本研究采用直徑分布為0.5-50μm的二氧化鈦粉體，其密度為4,230kg/m3，比熱容為3.78kJ/(kg*K)，導(dǎo)熱系數(shù)為10.4W/(m*K)，熔點(diǎn)約為2100K。如前所述，在非均質(zhì)多相流中，各種組分在系統(tǒng)空間中以不同的速度運(yùn)動(dòng)。對(duì)不同粒徑（5 nm、10 nm、50 nm、20μm和25μm)的顆粒進(jìn)行了比較的結(jié)果表明,隨著粒徑的減小,顆粒溫度和速度增大,如圖4所示。

由于欠膨脹效應(yīng)，在自由射流區(qū)噴嘴出口附近燃燒氣體的最大速度約為2050m/s。然而，由于它們的質(zhì)量慣性，噴霧顆粒不受這種氣體高加速度影響，而是根據(jù)它們的大小或多或少地與氣體分離。因此，大顆粒比小顆粒更具有惰性。這也導(dǎo)致較小粒子的最終速度更高。一般情況下,顆粒速度保持在1000 m/s以下,但對(duì)于直徑為5 nm的顆粒,計(jì)算出的速度甚至更高,可達(dá)1200 m/s。對(duì)于小顆粒，氣體流動(dòng)中較高的加速度并不總是引起基底上較高的沖擊速度，因?yàn)閷?duì)于較小的質(zhì)量慣性，顆粒速度在沖擊前在沖擊流動(dòng)區(qū)域中也經(jīng)歷大幅減速，在沖擊流動(dòng)區(qū)域中，由于基底表面處的流動(dòng)偏轉(zhuǎn)，噴射射流的軸向速度會(huì)減小。

圖4：不同尺寸的氣體、乙醇和二氧化鈦顆粒沿從燃燒室到基底的軸線的溫度（左）和軸向速度（右）剖面

3. 3 噴射角的修改

對(duì)反應(yīng)機(jī)理和流動(dòng)特性的模擬結(jié)果表明，基于乙醇液滴在燃燒室中的停留時(shí)間相對(duì)較短的事實(shí)，乙醇會(huì)在燃燒室外發(fā)生蒸發(fā)。如圖4和圖5所示，這還會(huì)涉及噴嘴中的冷卻效果，它會(huì)影響HVSFS系統(tǒng)的能量平衡。如圖2中顯示的膨脹噴嘴中質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的分析表明，在膨脹噴嘴的整個(gè)長(zhǎng)度上有大量的O2、C2H6O、CO和H2，這導(dǎo)致乙醇?xì)怏w的燃燒不充分的假設(shè)。

為了避免這種冷卻效應(yīng)，我們進(jìn)行了一些優(yōu)化實(shí)驗(yàn)來(lái)減小乙醇液滴的汽化長(zhǎng)度，使其在燃燒室內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)。本工作中的主要修改是把懸浮液噴射角（乙醇液滴和二氧化鈦）從0°（軸向噴射）調(diào)到30°（參見(jiàn)圖5進(jìn)行比較）。

圖5：0°（左）和30°（右）懸浮噴射角下C2H6O蒸發(fā)點(diǎn)以及氣體和顆粒溫度分布的比較

參見(jiàn)圖5，噴射角度的修改在乙醇汽化點(diǎn)位置以及在乙醇汽化期間防止明顯的冷卻效應(yīng)方面都帶來(lái)了良好效果。由于乙醇的流動(dòng)路徑較長(zhǎng), 因此當(dāng)噴油角偏離軸30°時(shí),在燃燒室中停留時(shí)間較長(zhǎng),乙醇的蒸發(fā)仍發(fā)生在噴嘴內(nèi),但蒸發(fā)點(diǎn)離燃燒室較近。通過(guò)對(duì)比兩種不同角度下的模擬結(jié)果，我們可以觀察到氣體和粒子的溫度中心線分布，在膨脹噴嘴內(nèi)的冷卻效果幾乎消失。

 

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總結(jié)

在熱噴涂系統(tǒng)中使用溶液作為納米粒子處理的載流體是一種新的方法，與標(biāo)準(zhǔn)的HVOF工藝相比，該方法具有新的HVSFS工藝的一些熱物理和熱化學(xué)變化。

本文以工業(yè)TopGun-G torch為例,在常規(guī)HVOF過(guò)程數(shù)值模型的基礎(chǔ)上,對(duì)非均質(zhì)三相HVSFS過(guò)程的燃燒和氣體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了三維模擬和分析,包括乙醇蒸發(fā)和非預(yù)混燃燒過(guò)程的模擬,以及氣液、氣體與顆粒之間的相互作用機(jī)理的分析。本文采用歐拉法求解反應(yīng)氣體的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，采用拉格朗日（Lagrangian）法模擬顆粒的飛行行為，使用商業(yè)CFD軟件ANSYS-CFX11。

對(duì)HVSFS過(guò)程的模擬結(jié)果表明，乙醇的蒸發(fā)和燃燒發(fā)生在燃燒室外，膨脹噴嘴內(nèi)存在的冷卻效應(yīng)會(huì)影響HVSFS系統(tǒng)的能量平衡。改變噴射角的優(yōu)化方法可以提高乙醇在燃燒室中的停留時(shí)間，從而縮短了蒸發(fā)長(zhǎng)度，使噴嘴內(nèi)的冷卻效果完全消失。然而，如圖6所示，由于顆粒團(tuán)聚、顆粒沉積在燃燒室壁上，或者由于它們的長(zhǎng)流動(dòng)路徑和在燃燒室中的停留時(shí)間而導(dǎo)致顆粒氧化，該改進(jìn)的噴射角也會(huì)具有一些不足。

 圖6：采用30°噴射角的HVSFS燃燒室中二氧化鈦顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性  

本文之后的研究工作包括優(yōu)化HVSFS熱噴涂系統(tǒng)的過(guò)程，目的是精確和詳細(xì)地描述在torch出口和基底之間的自由射流區(qū)域的流場(chǎng)，也就是本文中簡(jiǎn)略的部分。此外，還需要對(duì)HVSFS燃燒室中顆粒流動(dòng)路徑的不穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

本文的研究目的是開(kāi)發(fā)一種分析方法，用于分析和預(yù)測(cè)HVSFS熱噴涂系統(tǒng)在各種操作條件下的性能，確定各個(gè)參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響，并最終幫助和促進(jìn)HVSFS torch的設(shè)計(jì)。