毕业设计（论文）-同轴送粉器数值模拟.doc

沈阳理工大学学士学位论文目 录1绪 论11.1前言11.2课题背景的与现状21.2.1国外研究情况31.2.2国内研究情况31.3送粉技术现状及存在的问题41.3.1送粉方式41.3.2目前送粉技术存在的问题62计算流体学的基本原理82.1流体力学基本方程82.1.1质量守恒定律82.1.2动量守恒方程92.1.3能量守恒方程113fluent软件介绍133.1fluent软件概述133.1.1网格划分技术133.1.2软件的灵活设置133.1.3软件的基本构成133.1.4计算类型及应用领域144同轴送粉喷嘴模型的建立164.1同轴送粉喷嘴模型164.2同轴送粉模拟计算前处理164.2.1同轴送粉喷嘴建模164.2.2划分网格174.2.3设定边界类型184.3同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤195汇聚过程的计算结果与分析205.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析205.2粉气同角时汇聚特性数值模拟205.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响205.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响245.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟275.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响275.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较31致 谢37参考文献38附 录39 1.绪论1.1.引言激光金属直接制造( ldmm) 技术是近十几年来兴起的一种先进制造技术, ldmm 技术采用高能量激光为热源, 以预置或同步供给金属粉末或金属丝为成形材料, 在金属基体上逐为金属零件。同轴送粉喷嘴是实现激光直接制造的层堆积而成形关键部件, 它的主要作用是把金属粉末均匀、稳定地输送到熔池中。在同轴送粉中, 由于粉末流与激光束同轴输出, 所以当粉末汇聚性差、汇聚焦距太小时( 粉末汇聚焦距是指喷嘴出口到粉末汇聚焦点的距离) , 在成形过程中粉末的反弹容易造成喷嘴堵粉而影响零件的成形质量, 国内外针对这一问题已做了大量的研究。lin 7 研究了雷诺数为2000 时, 同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动, 计算和分析了粉末流浓度的分布规律; 杨洗陈等 8 10 研究建立了同轴送粉喷嘴粉末流浓度场和温度场的理论模型, 开发了一种新型数字粒子图像测速( dpiv ) 系统来检测粉末流的浓度场分布, 并研究了金属粉末流和载流气体的动量和质量传输过程。本文应用气固两相流理论对同轴送粉喷嘴的粉末流场进行数值模拟，分析了送粉喷嘴锥角、粉末流速和保护气体流速对粉末流场汇聚特性的影响,及粉末流场参数的变化规律。1.2 课题背景与现状1.2.1 国外研究现状 近年来，采用快速成型制造设备最积极的地区是东亚（尤其是韩国、新加坡及我国的香港）。美国的各种快速成型制造系统基本上都是在美国国家自然科学基金会的资助下研发并实现商品化的。在austin举行的2000年度快速成型制造年会上，许多大学和公司都推出了各自的成型系统。日本以东京大学为首的一批学术机构及企业单位主要集中于sla工艺（因为该工艺成型精度最高）、树脂材料研究开发和快速成型制造技术的应用方面。澳大利亚建立了主要由快速成型制造领域的工业企业和学术机构参与的“欧洲快速原型制造行动（earp）”项目。1.2.2 国内研究现状 为了加快快速成型制造技术在我国的发展，国家已组织实施了快速成型技术应用研究和推广服务工作。经过国内多所大学及公司几年的努力，已经研制开发与国外sla、lom、sls、fdm工艺相类似的一批设备。这些设备都是多种技术的集成，主要是为了提高快速成型制造制作精度和可靠性，涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、激光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。但快速成型制造技术在国内的应用还不十分广泛，设备安装台数不多，目前仅限于大型企业。为改变此落后局面，西安交通大学已建立了中国快速成型制造网络站点，为我国快速成型制造制造商、快速成型制造技术应用服务中心、科研院校及广大用户提供信息服务。南方也已成立多家采用国外设备的快速成型制造服务中心，一些公司开始应用快速成型制造技术开发新产品。1.3 送粉技术现状及存在的问题1.3.1 送粉方式 （1）螺旋式送粉器：这种送粉器比较适合小颗粒粉末输送,工作中输送均匀，连续性和稳定性高，并且这种送粉方式，对粉末的干湿度没有要求，可以输送稍微潮湿的粉末。但是不适用于大颗粒粉末的输送，容易堵塞。由于是靠螺纹的间隙送粉，送粉量不能太小，所以很难实现精密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，并且不适合输送不同材料的粉末。（2）转盘式送粉器：是基于气体动力学原理，通入的气体作为载流气体进行粉末输送，这种送粉器适合球形粉末的输送，并且不同材料的粉末可以混合输送，最小粉末输送率可1g/min。但是对其他形状的粉末输送效果不好，工作时送粉率不可控，并且对粉末的干燥程度要求高，稍微潮湿的粉末，会使送粉的连续性和均匀性降低。（3）刮板式送粉器：对于颗粒较大的粉末流动性好，易于传输。但在输送颗粒较小的粉末时，容易团聚，流动性较差，送粉的连续性和均匀性差，容易造成出粉管口堵塞。（4）毛细管送粉器：这种送粉器能输送的粉末直径大于0.4m。粉末输送率可以达到1g/min。能够在一定程度上实现精密熔覆中要求的微量送粉，但是它是靠自身的重力输送粉末，必须是干燥的粉末，否则容易堵塞，送粉的重复性和稳定性差，对于不规则的粉末输送，输送时在毛细管中容易堵，所以只适合于球形粉末的输送。（5）鼓轮式送粉器：其工作原理是基于重力场，对于颗粒比较大的粉末，因其流动性好能够连续送粉，并且机构简单。由于它是通过送粉轮上的粉勺输送粉末，对粉末的干燥度要求高，微湿的粉末和超细粉末容易堵塞粉勺，使送粉不稳定，精度降低。（6）电磁振动送粉器：是基于机械力学和气体动力学原理工作的，反应灵敏，由于是用气体做为载流体将粉末输出，所以对粉末的干燥程度要求高，微湿粉末会造成送粉的重复性差。并且对于超细粉末的输送不稳定，在出粉管处超细粉末容易团聚，发生堵塞。（7）沸腾式送粉器：是基于气固两相流原理设计的。工作时，载流气体在气体流化区域直接将粉末吹出送至激光熔池。但同样要求所送粉末干燥。沸腾式送粉器对于粉末的流化和吹送都是通过气体来完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末与送粉器元件的机械摩擦，对粉末的粒度和形状有较宽的适用范围。1.3.2 目前送粉技术存在的问题 随着激光技术的发展，经过多种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉器。一般情况下，较大尺寸的粉末(颗粒直径100m)流动性较好，易于传送，而颗粒直径较小的粉末(颗粒直径 face - rectganle输入如下：在矩形上做（-20,0），（20,0）两点。通过按钮将两点连成直线。然后通过geometry -face将矩形分裂成两部分再在矩形上做（-5,25），（5,25），（-5.8,25），（5.8,25），（-9.35,25），（9.35,25），（-9.95,25），（9.95,25）八个分裂点，以此做出四个喷口，模型建立完成。4.2.2 划分网格划分网格步骤为先划分线网格再划分面网格，首先划分四个喷嘴的线网格操作步骤为：operation-mesh-edge划分两个面网格步骤为：operation-mesh -face4.2.3 设定边界类型划分边界条件操作不住为：operation -zones 本模型边界条件有5个，两个气体进口速度，两个粉末进口速度，还有一个出口压力。4.3 同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤计算工况分为以下几种：粉气同角时汇聚特性数值模拟1、 两腔锥角变化对汇聚性能影响，两腔的锥角角度同为60、65、70、75，粉腔的进口速度为2m/s，气腔的进口速度为7.5m/s时粉末的汇聚性能的比较。2、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取以上模拟汇聚特性较好的两腔的锥角角度时，考察气腔的进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能。粉气非同角时汇聚特性数值模拟1、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取粉腔的锥角角度为60、进口速度为2m/s，气腔的锥角角度为90、保护气进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能的比较。2、粉腔锥角变化的汇聚性能比较，选取气腔进口速度为7.5m/s时，粉腔的锥角角度分别为60、65、70、75，粉末的汇聚性能模拟。5汇聚过程的计算结果与分析5.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析根据同轴送粉汇聚过程的分析可知，影响同轴送粉汇聚性能和汇聚焦距的因素有很多，主要有粉腔间隙、粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度等。在其他工艺参数一定的条件下, 粉腔间隙越小, 粉末的汇聚性越好; 粉腔锥角越大, 粉末的汇聚焦距越大,有利于零件的成形。本论文重点研究了粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度对粉末汇聚的影响。5.2粉气同角时汇聚特性数值模拟5.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响以下是两腔的锥角角度同为60、65、70、75，粉腔的进口速度为2m/s，气腔的进口速度为7.5m/s时粉末的汇聚性能的比较，结果见图5.1至5.8。图5.1 气腔和粉腔锥角角度均为60时，粉末汇聚的体积百分数图5.2 气腔和粉腔锥角角度均为60时，粉末汇聚的速度矢量图图5.3 气腔和粉腔锥角角度均为65时，粉末汇聚的体积百分数图5.4 气腔和粉腔锥角角度均为65时，粉末汇聚的速度矢量图图5.5 气腔和粉腔锥角角度均为70时，粉末汇聚的体积百分数图5.6气腔和粉腔锥角角度均为70时，粉末汇聚的速度矢量图, 图5.7气腔和粉腔锥角角度均为75时，粉末汇聚的体积百分数图5.8 气腔和粉腔锥角角度均为75时，粉末汇聚的速度矢量图图5.1，图5.3所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%以上，图5.7所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%95%之间，图5.5所示表明粉末汇聚的体积百分数在之间9090%，图5.7所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%95%之间。图5.1与5.3比较，由汇聚点到喷嘴距离可以看出5.1要比5.3汇聚性略好。由此可见，当粉腔和气腔的锥角角度均为60时，粉末的汇聚性能较好。5.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响选取以上模拟汇聚特性较好的两腔的锥角角度为60时，考察气腔的进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能。结果见图5.9至5.14。图5.9两腔锥角相同而改变气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.10两腔锥角相同而改变气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.11两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.12两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.13两腔锥角相同而改变气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.14两腔锥角相同而改变气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.9所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%左右，图5.11所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%100%之间，图5.13所示表明粉末汇聚的体积百分数在70%80%之间。由此可见，当保护气进口速度为7.5m/s时，粉末的汇聚性能较好。由流场模拟结果可知，气腔速度过大时，汇聚点附近气流漩涡加强，漩涡会携带粉末飞出，不仅影响汇聚，而且使粉末浪费。5.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟5.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响选取粉腔的锥角角度为60、进口速度为2m/s，气腔的锥角角度为90、保护气进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能的比较，模拟结果见图5.15至5.20。图5.15 气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的体积百分数 图5.16气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.17气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的体积百分数 图5.18气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.19气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.20气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.15和图5.17所示表明粉末汇聚的最高体积百分数均在90%95%之间，图5.19所示表明粉末汇聚的最高体积百分数在80%85%之间。由此可见，当保护气进口速度为7.5m/s时，粉末的汇聚性能较好。5.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较选取气腔进口速度为7.5m/s时，粉腔的锥角角度分别为60、65、70、75，粉末的汇聚性能模拟结果见图5.21至5.28。图5.21粉腔锥角角度为60时，粉末汇聚的体积百分数图5.22粉腔锥角角度为60时，粉末汇聚的速度矢量图图5.23粉腔锥角角度为65时，粉末汇聚的体积百分数图5.24粉腔锥角角度为65时，粉末汇聚的速度矢量图图5.25粉腔锥角角度为70时，粉末汇聚的体积百分数图5.26粉腔锥角角度为70时，粉末汇聚的速度矢量图图5.27粉腔锥角角度为75时，粉末汇聚的体积百分数图5.28粉腔锥角角度为75时，粉末汇聚的速度矢量图图5.21所示表明粉末汇聚的体积百分数在85%90%之间，图5.23所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%以上，图5.25和图5.27所示表明粉末汇聚的体积百分数均在80%85%之间。由此可见，当粉腔锥角角度为65时，粉末的汇聚性能较好。致 谢本论文是在徐丽导师的亲切关怀和悉心指导下而完成的。徐老师的严谨的教学态度，高尚的治学精神和精益求精的工作作风，深深地感染着和激励着我。无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，徐老师都给予了我仔细认真的教诲和细致无微的帮助，在此谨向徐老师致以我最诚挚的谢意和最崇高的敬意。在成文过程中，我还得到了来自同学的宝贵建议，同时还得到了朋友的支持和帮助，在此一并致以真诚的谢意。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！新的生活即将开始，前进的号角已经吹响，我会继续努力地学习，生活和工作，以期用自己的微薄之力来回报母校的培育之情，并为社会的进步做出新的贡献！参考文献1.张慧杰,胡国清,刘文艳,林忠华.快速原型研究综述j.厦门大学机电系.20042.李永唐,巨丽,杜诗文.快速原型制造技术与进展j.太原重型机械学院学报,2002:255-2583.潘东杰等.快速成型-先进的现代制造技术j.铸造技术.1999,4:37-394. 王秀峰等. 快速原型制造技术.中国轻工业出版社，20015. 胡晓冬等. 金属直接成型技术的发展与展望.工具技术，2001（10）：3-66. 王从军等. sls成型件的精度分析j. 华中科技大学学报，2001（6）：77-79附 录英文文献numerical simulation of powder flow field on coaxial powder nozzle in laser metal direct manufacturing anfeng zhang & dichen li & zhimin zhou &gangxian zhu & bingheng lureceived: 23 october 2009 / accepted: 5 april 2010 / published online: 25 april 2010# springer-verlag london limited 2010abstract in the laser metal direct manufacturing, gassolid two-phase flow theory is adopted to simulate the flow field of powders in coaxial nozzle to fabricate complex parts of compact structure. the separate model in fluent is used to evaluate the concentration distribution rule and the focusing characteristics of the powder flow field. the results indicate that the focal concentrations of the coaxialpowder nozzle in radial direction and axial direction are approximately obeyed by the gaussian distribution. when the cone angle of coaxial nozzle is invariable, the cone ring gap is smaller, the focal point concentration in the powder flow field is bigger; the focus radius is smaller, the focal distance is also smaller, and the gathering characteristic is better. when the cone ring gap of the coaxial powdernozzle is invariable, the cone angle getting too big or too small is harmful for powder gathering. when other conditions are invariable, extreme protective gas velocity (too large or too small) is harmful for powder gathering. when the protective gas velocity approaches to 6 m/s, the gathering characteristic of the coaxial nozzle achieves its best performance.keywords laser metal direct manufacturing . coaxial nozzle . numerical simulation . flow field1 introductionlaser metal direct manufacturing (lmdm) technology is an advanced manufacturing technology arising over the last decade 13, in which high-energy beam such as laser or electron beam is often used as its heat source, and metallic parts can be fabricated layer by layer on the basis of rapid prototype technology. the coaxial powder nozzle is one of the key technologies in lmdm, which feeds the metal powder uniformly and steadily into the melting pool mainly depending on kinetic energy of the gas 4. powder and laser beam export simultaneously in coaxial nozzle, which can disperse the metal powder as circularity and then converge into the melting pool, and overcome the fault that side powder feeding could be only adopted in linear movement rather than complex track. furthermore, this nozzle can fit the variation of the scanning direction well, and the isotropy property can be achieved in lmdm technology.much research work has been carried out in this field. mazumder et al. adopted the closed-loop control to improve the manufacturing accuracy in lmdm process 5. smurov applied the direct metal deposition technology to fabricate functionally graded object from metallic powder 6. costa et al. established a thermo-kinetic lpd model coupling finite element heat transfer calculations with transformation kinetics and quantitative property structure relationships to the study of the influence of substrate size and idle time on the microstructure and hardness of a ten-layer aisi420 steel 7. das reviewed the mechanism of oxidation, atmosphere control, wetting, epitaxial solidification, metal vaporization under vacuum, and oxide purification to understand these physical mechanisms for the design of direct selective laser sintering machines, process control, and materials-specific selective laser sintering process development 8. wen et al. presented a comprehensive model to predict the powder flow structure and laser particle heating process in terms of multi-particle behavior and reveal the characteristics of powder supply for the coaxial deposition process 9. miranda et al. used the high-power fiber lasers due to the flexibility in beam position and manipulation to control surface finishing and the smoothness of the part 10. more attention will be paid on developing the applied temperature field model in direct laser fabrication, which is required to describe not only complicated non-linear phenomenon involved with heat conduction, convection and diffusion, heat radiation and phase change problems, but also give a 3d visual-expressing method to exhibit the feature of material additive fabrication 11, 12.the effect of cone angle, cone ring gap, and shield gasvelocity of the coaxial nozzle on the gathering property of powder flow field is investigated in this paper. a disperse phase model is adopted to conduct the numerical simulation of the powder flow field, including the distributing rules of the powder flow field and analysis of its gathering property, the gathering property of the powder flow field, the distributing rules of the flow field velocity, the rules of the flow field parameters (focus (f), focus radius (r), and powder concentration (cf) are obtained by fluent, which can be referred in the design and optimization of the coaxial powder nozzle.2 numerical model of carrier gas powder in nozzle flow fieldin lmdm, the coaxial powder nozzle has the forming powder orbit of two coaxial cone ring gaps that are coaxial with laser beam, and then concentrate at the laser focus (see as fig. 1). lin has studied the gassolid two-phase flow in coaxial powder nozzle when the reynolds number is 2,000 13, and the result shows that the metal concentration will reach the maximum 0.315 kg/m3 when it is 5 mm under the bottom of the nozzle. energy, momentum, and mass transmission process exist in coaxial powder feeding system, which directly determines the size, precision and performance of the part made by lmdm. thus, it is necessary to conduct some research on its powder flow field, but until now, there is only limited relevant research on this subject 14, 15.fig. 1 working principle of the coaxial powder nozzle, is the anglebetween fed powder and the horizon, is the angle between shield gasand the horizonin the discrete phase model in this paper, the gas phase is computed by the standard k turbulent flow model, and the discrete phase is computed by building particle track model. there are assumptions as below in the model: (1) the particles movement is steady, and the powder and gashave the same velocity; (2) the thermal effect of laser on particles is neglected, and the computation of heat transfer is ignored; (3) inertia force and gravity are included, while mass force and lifting force are ignored; (4) collision between particles is not considered, and particle pressure and viscosity are ignored.2.1 gas phase turbulence control equationin the discrete phase model, compressed gas is regarded as ideal gas, and the basic turbulence control equation includes continuity equation and momentum equation if the thermal effect on particles by laser is neglected 16. the standard turbulence k model is adopted, which was put forward by launder and spalding 17, in which k and equation are as below respectively.where t is the turbulence viscosity; gk is the rate of production of kinetic energy of turbulence; gb is the generation of turbulence due to buoyancy; ym is the contribution of pulse expansion in compressive turbulence; k and s are respectively the turbulent prandtl number of turbulent kinetic energy k and dissipation rate; c1, c2, and cm are the experience constant; is the density of the compression gas; is the dynamic viscosity of the fluid; subscripts i and j are just subscripts for the velocity components and the space coordinates. according to launders recommended numerical value and the experimental validation, where k=1.0, s 1:3, c1=1.44, c2= 1.92, cu= 0:09.2.2 discrete phase track computation equationin fluent software, the track of a dispersed phase particle is solved by t