基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂的仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂的仿真方法，按照下述步驟進(jìn)行，首先利用前處理軟件建立幾何模型，將噴槍內(nèi)部以及外部空間區(qū)域為對象，對其劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域，其次對所建立的求解區(qū)域設(shè)置控制方程，打開離散相模型來追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為；然后設(shè)置邊界條件、材料屬性、求解控制參數(shù)并初始化和收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量，最后利用軟件對計算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，完成仿真。本發(fā)明采用基于雙面壁面邊界條件，方便超音速火焰噴涂過程的仿真計算出口邊界條件參數(shù)值的設(shè)置，減少邊界估算值影響仿真模擬收斂速度的不利影響。
【專利說明】基于雙面壁面邊界條件的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，涉及超音速噴涂領(lǐng)域的一種數(shù)值仿真計算方法中出口邊界的設(shè)置方法，即一種對超音速噴涂燃燒流場模擬的實施出口邊界條件的簡便方法。

【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。超音速噴涂技術(shù)相比于其他熱噴涂技術(shù)如等離子噴涂，由于其獨特的特性——溫度相對較低、速度很高，因而噴涂材料不易過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，所以超音速噴涂獲得了很好的應(yīng)用。
[0003]實際應(yīng)用中往往需要優(yōu)化工藝參數(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)若采用試驗的方法則需要進(jìn)行大量的試驗，代價較大，此時可以使用CFD來進(jìn)行數(shù)值仿真來優(yōu)化工藝參數(shù)。CFD軟件是計算流體力學(xué)(Computat1nalf IuidDynamiCs)軟件的簡稱,是專門用來進(jìn)行流場分析、流場計算、流場預(yù)測的軟件。通過CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預(yù)測性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計效果。CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理，為實驗提供指導(dǎo)，節(jié)省實驗所需的人力、物力和時間，并對實驗結(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，超音速熱噴涂仿真模擬出口邊界都設(shè)置在噴槍出口處，由于靠近噴槍出口其邊界條件參數(shù)值往往無法測量得到，根據(jù)經(jīng)驗估算的數(shù)值往往由于不符合實際造成仿真計算收斂困難，因此需要讓出口邊界遠(yuǎn)離噴槍出口，此時噴槍壁面兩側(cè)都有網(wǎng)格，因而需要設(shè)置管壁壁面為雙面壁面，外部壁面設(shè)置為絕熱壁面，內(nèi)部壁面設(shè)置為等溫壁面，其溫度值等于冷卻水流出的溫度值，此時在這個較遠(yuǎn)的出口邊界上設(shè)置邊界值估算數(shù)值較容易并且消除了估算值對仿真計算帶來的不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有仿真技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于使用雙面壁面邊界條件來實施超音速火焰噴涂過程外場的出口邊界，使得仿真計算時設(shè)置出口邊界參數(shù)值變得相對容易，減少參數(shù)估計值對仿真計算帶來的不利影響。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0007]基于雙面壁面邊界條件的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，根據(jù)噴槍內(nèi)部的幾何形狀和尺寸建立噴槍的幾何模型；
[0009](2)在步驟(I)的基礎(chǔ)上，根據(jù)噴涂距離，10倍噴槍管徑的要求確定噴槍外部的幾何區(qū)域；
[0010](3)以步驟(I) (2)所建立的噴槍內(nèi)部以及外部空間區(qū)域為對象，對其劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域；
[0011](4)對上述步驟所建立的求解區(qū)域設(shè)置控制方程，所述控制方程包括:連續(xù)性方程，動量方程，能量方程，組分輸運方程，k- ε湍流方程；
[0012](5)打開離散相模型(DPM)來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；尤其是雙面壁面，外部壁面設(shè)置為絕熱壁面，內(nèi)部壁面設(shè)置為等溫壁面，其溫度值等于冷卻水流出的溫度值；
[0014](7)定義材料屬性,其中氣相密度選擇為ideal-gas ;比容選擇為mixinglaw ；
[0015](8)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化；
[0016](9)設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量；
[0017](10)利用FLUENT軟件對計算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，完成基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂過程的仿真。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了基于雙面壁面邊界條件，可以方便超音速火焰噴涂過程的仿真計算出口邊界條件參數(shù)值的設(shè)置，減少了邊界估算值影響仿真模擬收斂速度的不利影響。本發(fā)明提供一種基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂的仿真方法。可以迅速并且直觀地模擬出超音速火焰噴涂過程中各個位置處的壓強、溫度、速度、組分濃度。本發(fā)明方法可通過改變工藝參數(shù)來研究工藝參數(shù)對噴涂過程的影響，為設(shè)計和優(yōu)化超音速火焰噴涂工藝參數(shù)提供參考，具有重要的實用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明中基于雙面壁面邊界條件超音速火焰噴涂過程中雙面壁面邊界。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0021]本發(fā)明涉及的區(qū)域模型為噴涂距離300mm。外部場域?qū)挾葹?0倍噴槍管徑。入口、出口溫度均為室溫300K。分別為0.03kg/s，0.01kg/s。入口壓強為7atm。
[0022]其主要實現(xiàn)步驟如下:
[0023](I)利用前處理軟件Gambit，根據(jù)噴槍內(nèi)部的幾何形狀和尺寸建立噴槍的幾何模型；對其劃分四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立網(wǎng)格模型；
[0024](2)把步驟(I)所建立的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent內(nèi)，對導(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；
[0025](3)為求解區(qū)域設(shè)置壓力求解器(Pressure-BasedSolver),選擇穩(wěn)態(tài)計算(Steady),開啟能量方程；
[0026](4)開啟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；
[0027](5)開啟組分輸運方程(SpeciesTransport),激活體積反應(yīng)選項，瑞流與化學(xué)反應(yīng)之間的交互作用(Turbulence-ChemistryInteract1n)使用潤耗散模型(Eddy-Dissipat 1n)來描述,激活熱擴(kuò)散(ThermalDif fus1n)選項以反映溫度差對組分輸運的影響，激活擴(kuò)散能量源項(Diffus1nEnergySource)以反映組分濃度的變化對能量分布的影響；
[0028](6)開啟離散相模型(DPM)，離散相與連續(xù)相之間通過進(jìn)行耦合計算來追蹤液體顆粒的傳熱、傳質(zhì)行為；
[0029](7)定義混合氣體材料的物性，其中氣相密度選擇為ideal-gas，表示混合氣體為理想氣體，為可壓縮流；比容選擇為mixinglaw,表示混合氣體的比容是各個純氣體組分比容的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值，每個氣體組分的比容采用分段多項式(piecewise-polynomial)設(shè)置，此時比容與溫度相關(guān)；
[0030]為混合氣體材料設(shè)定其組成成分，對于本例，采用煤油(C12H23)為燃料，氧氣
(02)為氧化劑，出于方便，我們假設(shè)煤油與氧氣燃燒之后產(chǎn)物全部為C02和H20。燃燒機理的化學(xué)方程式如下:
[0031]C12H23+17.7502=>12C02+11.5H20
[0032]把混合氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)k、粘度μ設(shè)置為ideal-gas-mixing-law。
[0033](8)為上述開啟的模型設(shè)置邊界條件。在入口處把C12H23、02、C02和H20的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0、1、0、0，這就表示在入口處為純氧氣；入口處的溫度為300K，壓強為7atm，質(zhì)量流量為氧氣的質(zhì)量流量:0.0lkg/s。湍流參數(shù)值:湍流強度:5%，水力直徑為入口的直徑。在出口處把C12H23、02、C02和H20的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0、0.233、0、0，這就表示在出口處為空氣?’出口處的溫度為300K，壓強為Iatm ;湍流參數(shù)值:湍流強度:5%，湍流粘度比:10。對于壁面處的邊界，由于壁面兩側(cè)都劃分了網(wǎng)格，在導(dǎo)入Fluent后，壁面的就會被處理成雙面壁面，但是該雙面壁面對于溫度邊界在默認(rèn)時耦合的(coupled)，在本例中，把外部壁面設(shè)置為絕熱壁面，內(nèi)部壁面設(shè)置為等溫壁面，其溫度值等于冷卻水流出的溫度值；
[0034](9)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化；選擇coupled算法來處理速度和壓力的耦合關(guān)系，對流項的離散格式在初始計算時使用一階迎風(fēng)格式，待收斂后再改成更為精確的二階迎風(fēng)格式；初始計算時亞松弛因子取默認(rèn)值的一半，待計算穩(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)；
[0035](10)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 ；
[0036](11)利用FLUENT軟件對計算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計算，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，此時也可以通過質(zhì)量守恒以及能量守恒(差值< 0.5%)來判斷收斂與否，完成基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂過程的仿真。
[0037]通過基于雙面壁面邊界條件對超音速火焰噴涂過程進(jìn)行的數(shù)值模擬，此時，出口邊界參數(shù)值的設(shè)置相對變得寬泛，降低了邊界條件參數(shù)估計數(shù)值對仿真計算收斂速度帶來的不利影響。
[0038]以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于雙面壁面邊界條件的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，根據(jù)噴槍內(nèi)部的幾何形狀和尺寸建立噴槍的幾何模型； (2)在步驟(I)的基礎(chǔ)上，根據(jù)噴涂距離，10倍噴槍管徑的要求確定噴槍外部的幾何區(qū)域； (3)以步驟(I)(2)所建立的噴槍內(nèi)部以及外部空間區(qū)域為對象，對其劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以建立求解區(qū)域； (4)對上述步驟所建立的求解區(qū)域設(shè)置控制方程，所述控制方程包括:連續(xù)性方程，動量方程，能量方程，組分輸運方程，k- ε湍流方程； (5)打開離散相模型(DPM)來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；尤其是雙面壁面，外部壁面設(shè)置為絕熱壁面，內(nèi)部壁面設(shè)置為等溫壁面，其溫度值等于冷卻水流出的溫度值； (7)定義材料屬性,其中氣相密度選擇為ideal-gas;比容選擇為mixinglaw ； (8)設(shè)置求解控制參數(shù)并初始化； (9)設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)控變量； (10)利用FLUENT軟件對計算域內(nèi)的代數(shù)方程組反復(fù)進(jìn)行迭代計算，直至滿足所設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)為止，完成基于雙面壁面邊界條件的超音速火焰噴涂過程的仿真。
【文檔編號】G06F17/50GK104516998SQ201310468533
【公開日】2015年4月15日 申請日期: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 申請人:天津大學(xué)