第44卷第3期
2004年5月
大连理工大学学报
Jo urnal of Dalian Unive rsity o f Te chno lo g y
Vol
.44,
No
.3
May
2004
文章编号: 1000-8608(2004)03-0398-04
收稿日期: 2003-01-20; 修回日期: 2004-01-20.
基金项目: 教育部高等学校骨干教师资助计划资助项目 (教技司 200065); 辽宁省自然科学基金资助项目(157).
作者简介:王以飞
*
(1978-), 男, 硕士; 黄钟岳(1937-), 男, 教授.
冷喷涂材料改性研究中超音速冲击射流流场数值分析
王以飞
*1
, 王晓放
1
, 黄钟岳
1
, 王晓鸣
2
( 1.大连理工大学 动力工程系, 辽宁 大连 116024;
2.东北大学 材料冶金学院, 辽宁 沈阳 110006 )
摘要: 针对冷喷涂材料表面改性技术研究中,超音速冲击射流流场存在激波、分离流等复杂
的物理现象,采用扩展压强校正法求解用紊流模型封闭的可压缩湍流平均 N -S 方程组,利用
交错网格系统抹平迭代过程中的数值振荡,并通过高分辨率的离散格式进一步改善校正法的
激波捕获效果,对冷喷涂工艺中的超音速冲击射流流场进行了详细的数值模拟,可为冷喷涂
实验及机理研究提供重要依据.
关键词: 冷喷涂; 可压缩射流; 数值模拟
中图分类号: T B43; O 358; O 368 文献标识码
:A
0
引 言
冷喷涂材料表面改性是根据空气动力学原理
开发的在常温下制备功能涂层的喷涂技术
[1]
,具
有广泛的应用前景和实用价值. 该技术属于新
兴、交叉学科领域,相关的国内、外资料较少,有关
冷喷涂机理及实验参数的优化分析尚需进一步深
入研究. 冲击射流流场研究是冷喷涂技术中的核
心内容之一,其面临的主要难点是流场中存在各
种波(包括激波) 以及它们反射、相交后构成的复
杂波系,这些现象是影响冷喷涂效果的关键因素,
也是当代流体力学的研究前沿所在.
目 前在国内,关于气体冲击射流的数值计算
和实验研究开展得不多,且多限于液体工质的层
流冲击射流的实验研究,少量的气体冲击射流数
值计算也仅关注滞止点附近的情况
[2]
,并不适合
冷喷涂研究的需要. 本文通过选用先进的 CFD
分析软件,完成对单相气体超音速冲击射流流场
模拟计算分析,并对优化实验方案提出改进方向
和改进措施.
1
数值模拟方法
超音速冲击射流数值计算求解的控制方程
[3 ]
为通用可压缩湍流平均 N -S 方程组(式 1),湍流
模型采用 κ-ε双方程模型,在近壁处采用了壁面
函数进行修正. 本文在商用 CFD 分析软件的基
础上,采用扩展的压强校正法,利用交错网格系统
抹平迭代过程中的数值振荡,并引入了高分辨率
的离散格式进一步改善校正法的激波捕获效
果
[4]
.
控制方程的数学表达形式如下:
∂
(ρΦ)
∂
t
+·(ρ
v
Φ- Γ
Φ
grad
Φ)=
S
Φ
(1)
式中:Φ= (ρ
v
w
t
κ ε),Γ
Φ
为相应于 Φ
的广义扩散系数,
S
Φ
为广义源项.
冲 击射流计算坐标系如图 1 所示,收缩喷嘴
出口直径
D
= 16mm,出口压强
p
0
和大气压力
p
b
比分别为 3.40 和 2.52. 由于喷管出口为超音速
(617 m /s) 且膨胀比比较小,环境压强一般不会
影 响喷管内部流场. 因此在本文处理中,把喷管