基于双混合分数的jp5000超音速火焰喷涂的仿真方法
【专利摘要】本发明公开了基于双混合分数的JP5000超音速火焰喷涂的仿真方法，按照下述步骤进行，利用前处理软件划分结构网格以建立求解区域，设置求解器类型，打开能量方程，非预混模型，选择燃料流为煤油，氧化剂流为氧气，次级流为空气；打开离散相模型来追踪液体颗粒的传热、传质行为；设置边界条件，材料属性，同时设置求解控制参数并初始化，设置收敛标准以及监控变量，利用软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止。本发明采用了双混合分数的非预混燃烧模型，模拟氧化剂为氧气，出口为空气的JP5000超音速火焰喷涂过程，提高了仿真模拟的准确性。
【专利说明】基于双混合分数的JP5000超音速火焰喷涂的仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热喷涂领域，更加具体地说，涉及JP5000超音速喷涂领域的一种数值仿真计算方法，即一种预测和分析JP5000超音速喷涂过程中压强、温度、速度、组分等参数的数值仿真方法。
【背景技术】
[0002]热喷涂技术可以喷涂一些耐磨、耐热、耐腐蚀的材料从而可以延长零部件的寿命、提高零部件的性能并可以降低维修成本。超音速喷涂技术相比于其他热喷涂技术如等离子喷涂，由于其独特的特性——温度相对较低、速度很高，因而喷涂材料不易过热而撞击基体的速度极高，得到的涂层结合力很高、孔隙率很低，所以超音速喷涂获得了很好的应用。
[0003]实际应用中往往需要优化工艺参数，优化工艺参数若采用试验的方法则需要进行大量的试验，代价较大，此时可以使用CFD来进行数值仿真来优化工艺参数。CFD软件是计算流体力学(Computat1nal fluid Dynamics)软件的简称,是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。
[0004]目前，由于超音速热喷涂过程涉及到的物理化学现象复杂而众多，研究较少，而且煤油燃烧这一过程往往采用简单的单步完全燃烧这一假设来处理，计算结果与实验结果往往相差较大。若采用详细化学机理，虽然提高了结果精度，但是由于耦合了大量组分方程，计算量往往很大，采用基于化学平衡的PDF表的非预混燃烧模型可以避免求解大量组分方程，同时结果也较符合实际。但是对于燃料为液态煤油，氧化剂为纯氧气，外部空间的边界又是空气的JP5000超音速火焰喷涂，采用单一混合分数无法反应这一物理模型，必须采用双混合分数。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于使用煤油燃烧的非预混燃烧模型并结合双混合分数来计算煤油与氧气的燃烧过程，使得计算结果更符合实际、更准确。
[0006]本发明的技术目的通过下述技术方案与以实现:
[0007]基于双混合分数的JP5000超音速火焰喷涂的仿真方法，按照下述步骤进行:
[0008](I)利用前处理软件Gambit，以JP5000喷枪所包含的内部以及合适的外部空间区域为对象，对其划分结构网格以建立求解区域；
[0009](2)对步骤(I)所建立的求解区域设置求解器类型，打开能量方程；
[0010](3)打开Realizablek- ε湍流模型，并采用标准的壁面函数以及粘性耗散；
[0011](4)打开非预混模型，选择燃料流为煤油，氧化剂流为氧气，次级流为空气，生成双混合分数下的PDF表；
[0012](5)打开离散相模型(DPM)来追踪液体颗粒的传热、传质行为；
[0013](6)为上述控制方程设置边界条件。在入口处把组分的混合分数，混合分数方差都设为0，在出口处把次级流的混合分数设为1，其余混合分数以及方差均为O ;
[0014](7)定义pdf材料的属性,其中气相密度选择为pdf ;比容选择为mixinglaw ;
[0015](8)设置求解控制参数并初始化；初始计算时使用一阶迎风格式，待收敛后再改成更为精确的高阶格式；用coupled算法解决压力与速度的耦合问题，初始计算时亚松弛因子取默认值的一半。
[0016](9)设置收敛标准以及监控变量；能量方程的收敛标准为10_6，其他方程的收敛标准为1(Γ3。
[0017](10)利用FLUENT软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，由于模型较多，残差下降较困难，此时也可以通过质量守恒以及能量守恒来判断收敛与否，最终完成超音速火焰喷涂过程的仿真。
[0018]与现有技术相比，本发明采用了双混合分数的非预混燃烧模型，可以模拟氧化剂为氧气，出口为空气的JP5000超音速火焰喷涂过程，提高了仿真模拟的准确性。本发明提供一种基于双混合分数的非预混燃烧模型的JP5000超音速火焰喷涂的仿真方法。可以迅速并且直观地模拟出JP5000超音速火焰喷涂过程中各个位置处的压强、温度、速度、组分浓度。本发明方法可通过改变工艺参数来研究工艺参数对喷涂过程的影响，为设计和优化JP5000超音速火焰喷涂工艺参数提供参考，具有重要的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明中JP5000超音速火焰喷涂过程中的温度分布云图。
[0020]图2为本发明中JP5000超音速火焰喷涂过程中的速度分布云图。
[0021]图3为本发明中JP5000超音速火焰喷涂过程中N2质量浓度分布云图。
[0022]图4为本发明中JP5000超音速火焰喷涂过程中的O2质量浓度分布云图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明。
[0024]本发明涉及的区域模型为喷涂距离300mm。外部场域宽度为10倍喷枪管径。入口、出口温度均为室温300K。氧气和煤油的流量分别为0.03kg/s，0.01kg/s。入口压强为7atm。其主要实现步骤如下:
[0025](I)利用前处理软件Gambit，以JP5000喷枪几何所包含的内部以及上述描述的外部空间区域为对象，对其划分四边形结构网格以建立求解区域；
[0026](2)把步骤(I)所建立的网格导入到Fluent内，对导入的网格进行Scale，使导入的网格单位由m转换成mm ;检查网格，保证不存在负体积；
[0027](3)为求解区域设置压力求解器，选择稳态计算，开启能量方程；
[0028](4)开启Realizablek- ε湍流模型，并采用标准的壁面函数以及粘性耗散，其余采用默认设置；
[0029](5)开启非预混燃烧模型(Non-Premixed Combust1n),考虑压缩效应(Compressibility Effects)创建F1DF表,创建PDF表时，激活次级流(secondary stream),选择燃料流为煤油(C12H23 )，氧化剂流为氧气(02 )，次级流为空气(Air )，生成双混合分数下的I3DF表；
[0030](6)开启离散相模型(DPM)，离散相与连续相之间通过进行耦合计算来追踪液体颗粒的传热、传质行为；
[0031](8)定义混合气体材料的物性，其中气相密度选择为Pdf，表示混合气体的密度是通过对前面所创建的PDF表检索得到的；比容选择为mixinglaw,表示混合气体的比容是各个纯气体组分比容的质量分数平均值，每个气体组分的比容采用默认的设置；
[0032](7)为上述开启的模型设置边界条件。在入口处把燃料流、次级流的混合分数f(mixture fract1n),混合分数方差(mixture fract1n variance)这些变量的数值都设为0，这就表示在入口处为纯氧气；在出口处把次级流的混合分数设为1，而燃料流的混合分数以及混合分数方差均为0，这就表示在出口处为纯次级流(空气)；
[0033](8)设置求解控制参数并初始化；选择coupled算法来处理速度和压力的耦合关系，对流项的离散格式在初始计算时使用一阶迎风格式，待收敛后再改成更为精确的二阶迎风格式；初始计算时亚松弛因子取默认值的一半，待计算稳定后，再逐渐增大亚松弛因子到默认值。初始化采用混合初始化(HybridInitializat1n)；
[0034](7)设置收敛标准以及监控变量；能量方程的收敛标准为10-6，其他方程的收敛标准为10-3。
[0035](8)利用FLUENT软件对计算域内经过离散之后得到的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，由于模型较多，残差下降较困难，此时也可以通过质量守恒以及能量守恒(差值< 0.5%)来判断收敛与否，最终完成超音速火焰喷涂过程的仿真。
[0036]通过上述求解过程得到了每一个工艺参数下的结果文件，需要通过后处理当中的云图、XY图等方式对计算结果进行表示。计算表明，计算得到的外部空间的气体是氮气(wt%76.7) +氧气(wt%23.3)，即代表空气。消除了单混合分数的不足。通过对JP5000超音速火焰喷涂过程进行的数值模拟，可以得到气相的温度、速度、组分年度分布图。研究人员可以通过本发明获知不同热喷涂工艺参数下整个流场的所关心变量的参数值，为研究人员提供了参考依据。
[0037]以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.基于双混合分数的JP5000超音速火焰喷涂的仿真方法，其特征在于，按照下述步骤进行: (1)利用前处理软件Gambit，以JP5000喷枪所包含的内部以及合适的外部空间区域为对象，对其划分结构网格以建立求解区域； (2)对步骤(I)所建立的求解区域设置求解器类型，打开能量方程； (3)打开Realizablek-ε湍流模型，并采用标准的壁面函数以及粘性耗散； (4)打开非预混模型，选择燃料流为煤油，氧化剂流为氧气，次级流为空气，生成双混合分数下的PDF表； (5)打开离散相模型(DPM)来追踪液体颗粒的传热、传质行为； (6)为上述控制方程设置边界条件。在入口处把组分的混合分数，混合分数方差都设为O，在出口处把次级流的混合分数设为1，其余混合分数以及方差均为O ; (7)定义pdf材料的属性,其中气相密度选择为pdf;比容选择为mixinglaw ； (8)设置求解控制参数并初始化；初始计算时使用一阶迎风格式，待收敛后再改成更为精确的高阶格式；用coupled算法解决压力与速度的耦合问题，初始计算时亚松弛因子取默认值的一半； (9)设置收敛标准以及监控变量；能量方程的收敛标准为10_6，其他方程的收敛标准为I (T3 ； (10)利用FLUENT软件对计算域内的代数方程组反复进行迭代计算，直至满足所设定的收敛标准为止，由于模型较多，残差下降较困难，此时也可以通过质量守恒以及能量守恒来判断收敛与否，最终完成超音速火焰喷涂过程的仿真。
【文档编号】G06F17/50GK104516999SQ201310468990
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】马佰庆, 王立君 申请人:天津大学