霧化破碎的案例
江蘇大學(xué)何志霞教授團隊：高壓燃油噴射與噴霧研究
圖7 基于SST k-ω框架的VLES、LES及RNG k-ε湍流模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比對
圖8 不同湍流模型下噴嘴流量系數(shù)及孔內(nèi)蒸汽相體積分布的對比
（4）渦線空化對噴霧霧化的影響
試驗中采用了2孔噴嘴，對于實際8孔噴嘴利用前述驗證后的高精度噴嘴內(nèi)流耦合近場噴霧的大渦模擬模型針對圓柱孔和錐度孔噴嘴開展對比分析，如圖8和圖9所示，中截面上的內(nèi)流和噴霧計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)錐度孔噴嘴抑制壁面空化，圓柱孔噴嘴空化延伸出噴孔，但反倒是錐度孔噴嘴近場噴霧錐角及霧化破碎更好，這正是因為錐度孔加速了孔內(nèi)流體旋渦運動，在近噴孔出口出現(xiàn)渦線空化所致，得出：渦線空化比壁面空化在強化噴霧方面會有更大貢獻的重要結(jié)論。
展開 制冷劑霧化的節(jié)流及分液特性探討 附噴霧學(xué)曹建明下載
由圖4 可見，噴霧軸向速度隨軸向長度近似呈指數(shù)規(guī)律降低，在軸向0.05m 長度之內(nèi)衰減至低速穩(wěn)定區(qū)域（速度低于3m/s），霧化完全；并在冷凝溫度50℃，過冷度4℃，蒸發(fā)溫度在5℃ 到15℃ 的變化范圍內(nèi)，隨蒸發(fā)溫度升高，速度衰減加快，如圖5。在蒸發(fā)溫度10℃，過冷度4℃ 時，冷凝溫度在45℃到55℃ 的計算范圍內(nèi)，隨冷凝溫度升高，速度衰減減緩，當(dāng)冷凝溫度55℃ 時，速度衰減至3m/s 以內(nèi)，需要0.07m 左右的軸向長度，增加了40%，很顯然速度衰減減弱，容易產(chǎn)生液滴速度過快而沖擊壁面的現(xiàn)象。圖6 為冷凝溫度50℃，蒸發(fā)溫度10℃ 時，過冷度對噴霧軸向速度影響的計算結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，相較于蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，不同過冷度情況下軸向速度衰減曲線變化很小，說明過冷度對軸向速度的影響基本可以忽略。不難發(fā)現(xiàn)冷凝溫度對流量及軸向速度衰減的影響相較于蒸發(fā)溫度和過冷度要更大，而軸向速度變化導(dǎo)致的制冷劑霧化破碎長度的改變與霧化腔的尺寸和霧化的分液特性密切相關(guān)，下文進一步分析。
展開 CFDPro航空發(fā)動機的橫向射流霧化模擬
數(shù)學(xué)模型及工況
采用非穩(wěn)態(tài)方法模擬射流在橫向氣流中的霧化過程。
湍流模型和界面捕捉是研究射流破碎和霧化的關(guān)鍵。湍流模型能有效描述流態(tài)湍流狀態(tài)；界面捕捉方法可以有效捕捉精細(xì)的破碎霧化結(jié)構(gòu)，尤其是一次霧化及液體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜運動，并獲得霧化發(fā)展過程。本案例采用超大渦（V-LES）湍流模型和Level Set界面捕捉方法。
超大渦（V-LES）湍流模型
超大渦模擬（V-LES）與大渦模擬（LES）的區(qū)別在于超大渦模擬（V-LES）的過濾尺度不再是網(wǎng)格尺度，而是介于網(wǎng)格尺度和宏觀尺度（如管道直徑）之間的一個值。當(dāng)過濾尺度大于網(wǎng)格尺度時，超大渦模擬（V-LES）與雷諾時均（RANS）模型近似；當(dāng)過濾尺度接近網(wǎng)格尺度時，超大渦模擬（V-LES）近似大渦模擬（LES）。
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結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)的氣霧化初始破碎合金熔體先后經(jīng)歷液柱波動、橫向成膜以及液膜破碎過程(圖5)，其中液膜擴展距離與導(dǎo)流管外徑相當(dāng)，與霧化氣流的接觸面積相對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)霧化器較大[30]，有利于提高霧化效率。利用三維大渦模擬(large eddy simulation)和顯示VOF兩相流模擬結(jié)合的方法對初始霧化產(chǎn)生的單個大液滴進行二次霧化(secondary atomization)研究。結(jié)果表明，隨Weber數(shù)增大，液滴破碎從剪切破碎逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄊ?em>破碎方式，破碎產(chǎn)生的液滴尺寸有明顯的減小(圖5)。
2.1.3 粒子分散與分離模擬充分破碎的合金液滴在霧化爐內(nèi)受到氣流曳力、慣性力、重力等合力的影響，以一定的速度矢量分散運動，并與介質(zhì)氣流發(fā)生強烈的熱交換，快速凝固成粉末顆粒。本課題組利用非定常離散粒子模型(unsteady discrete particle model)對150 萬顆Rosin-Rammler 分布的粉末顆粒進行軌跡追蹤。結(jié)果顯示，不同粒徑的粉末顆粒在不同水平截面分布不同，較粗顆粒主要集中在霧化錐外側(cè)，而較細(xì)的顆粒則主要分布在霧化錐內(nèi)部，霧化錐分散角度和實際拍攝的金屬霧化錐角度基本吻合(圖6)。
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高速懸浮火焰噴涂（HVSFS）燃燒噴射技術(shù)的數(shù)值模擬與優(yōu)化
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)的霧化和破碎過程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動誘導(dǎo)，進行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設(shè)置，是此過程中的默認(rèn)噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級和納米級的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數(shù)可驗證模型中的粉末粒度分布。假設(shè)顆粒對氣體性質(zhì)沒有明顯影響，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能傳遞時使用單向耦合。
HVSFS過程的理論與模擬
HVSFS熱噴涂過程的數(shù)值模擬是一個具有挑戰(zhàn)性的多學(xué)科問題。其物理過程包括兩相燃燒、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，單一納米級顆粒不適合使用標(biāo)準(zhǔn)HVOF系統(tǒng)進行處理，因此需要有機溶液作為載體液體，以在噴qiang中實現(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粉末。
2.1 幾何建模和工藝參數(shù)
HVSFS過程的幾何設(shè)計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模擬HVOF過程 。在作為預(yù)混的氧/燃料混合物進入燃燒室之前，燃料氣體(此處為丙烷)和氧氣分別通過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。
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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)的霧化和破碎過程。均勻尺寸的球形液滴，dp=dnozzle的噴嘴受到氣動誘導(dǎo)，進行二次破裂。噴霧角度是已知的，或者可以根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系確定。“Blob方法（blob-method）”不需要任何特殊設(shè)置，是此過程中的默認(rèn)噴射方法。乙醇液滴采用均勻直徑模型，固體顆粒(微米級和納米級的二氧化鈦粉末)采用離散直徑分布模型。此參數(shù)可驗證模型中的粉末粒度分布。假設(shè)顆粒對氣體性質(zhì)沒有明顯影響，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能傳遞時使用單向耦合。
HVSFS過程的理論與模擬
HVSFS熱噴涂過程的數(shù)值模擬是一個具有挑戰(zhàn)性的多學(xué)科問題。其物理過程包括兩相燃燒、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，單一納米級顆粒不適合使用標(biāo)準(zhǔn)HVOF系統(tǒng)進行處理，因此需要有機溶液作為載體液體，以在噴qiang中實現(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粉末。
1 幾何建模和工藝參數(shù)
HVSFS過程的幾何設(shè)計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模擬HVOF過程 。在作為預(yù)混的氧/燃料混合物進入燃燒室之前，燃料氣體(此處為丙烷)和氧氣分別通過各種小通道噴射到混合室或混合箱中。
展開 【材料課堂】3D打印用球形金屬粉末制備工藝
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3D打印用金屬粉末制備工藝現(xiàn)狀
目前針對3D打印用金屬粉末的制備方法主要有霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、球化法等。
1.1 霧化法
霧化法制取的粉末已占當(dāng)今世界金屬3D打印粉末的80%以上, 其原理是以快速運動的流體 (霧化介質(zhì)) 沖擊或以其他方式將金屬或合金液流破碎為細(xì)小液滴, 隨之冷凝為固體粉末的粉末制取方法, 其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示, 根據(jù)霧化介質(zhì)不同, 霧化法主要分為水霧化和氣霧化。
圖1 霧化制粉原理圖
1.1.1 水霧化
水霧化是以水為霧化介質(zhì)制備金屬粉末, 其生產(chǎn)成本低, 霧化效率高, 常用來生產(chǎn)鋼鐵粉末、含油軸承用預(yù)合金粉末、鎳基磁性材料粉末等。相對氣霧化, 水的比熱容比較大, 在霧化過程中破碎的金屬熔滴快速凝固變成不規(guī)則狀, 導(dǎo)致粉體形狀難以控制, 且難以滿足金屬3D打印對粉末球形度的要求, 此外由于活性金屬及其合金在高溫下與霧化介質(zhì)水接觸后會發(fā)生反應(yīng), 增加粉末氧含量, 這些問題限制了水霧化法制備球形度高、氧含量低的金屬粉末。
1.1.2 氣霧化
氣霧化的原理是通過高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎為小滴并快速冷凝成粉末的過程。氣霧化制備金屬粉末具有粒度細(xì)、球形度高、純度高等優(yōu)點, 是目前生產(chǎn)3D打印用金屬粉末的主要方法, 其制備的3D打印粉末金屬占霧化法制備粉末的40%左右。但氣霧化技術(shù)也存在一定的不足, 在氣流破碎金屬液體的過程中, 氣流能量低, 霧化效率低, 增加了金屬粉末制備成本。
德國Nanoval公司在氣霧化技術(shù)的基礎(chǔ)上, 對噴嘴結(jié)構(gòu)進行改進, 提出層流霧化技術(shù)。層流霧化噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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