一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，首先确定喉部直径，然后确定出口直径，采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，对原始出口直径De和扩张段长度Ld进行优化。本发明专利技术基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。

A cold spray cold spray nozzle design method

The invention relates to a design method of cold cold spray nozzle, cooling nozzle for circular nozzle throat diameter of Laval, first identified, and then determine the diameter of the outlet, the simplified modeling software to establish the model and the initial size of the nozzle is optimized for size changes, the original length of hole diameter of De and expansion Ld optimization. The present material conditions and gas conditions based on the selection of the initial size through the analysis of materials and gas characteristics, after optimized size calculation by CFD, can realize the rapid optimization of cooling nozzle, and according to the special design of different coating materials and process conditions to complete all kinds of nozzle.

【技术实现步骤摘要】
一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法
本专利技术属于冷喷涂
，具体涉及一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法。
技术介绍
冷喷涂过程中，金属颗粒被超音速气流加速，以较高的速度(300-1000m/s)和远低于金属材料熔点的温度撞击基体发生剧烈塑性变形而形成涂层。该过程中，金属颗粒只有达到临界速度才能在基体上沉积形成涂层。冷喷涂系统中，喷枪是核心装置，而喷嘴又是喷枪的核心部件，主要用来实现气体由亚声速加速到超声速，同时为颗粒提供加速通道。因此，合理的喷嘴结构是保证颗粒加速效果、涂层质量和喷涂过程稳定性的关键因素。目前冷喷涂喷嘴广泛采用收缩-扩张结构的Laval喷嘴，该喷嘴通常有锥形和钟形两种形式，其中钟形喷管需要采用空气动力学特征线原理设计，设计较为复杂。另外，喷嘴截面可采用圆形、矩形和椭圆形等三种形状，其中圆形截面喷嘴可以使气体和金属颗粒加速平稳，同时易于加工，考虑设计方法及加工因素多采用锥形形式和圆形形状。喷嘴设计方法通常采用一维等熵定常流动的基本解析给出大体的经验设计尺寸，同时借鉴火箭发动喷管设计思路得到喷嘴最终尺寸，但是冷喷涂喷嘴设计目标是优化最大粒子速度，发动机喷管设计目标是优化最大推力，设计目标的差异性使该方法得到的喷嘴结构并不合理，使粒子加速效果较差。采用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)的方法可以实现冷喷涂过程中气固两相流加速行为的精确模拟，因此结合CFD方法对喷嘴进行结构设计成为可靠的喷嘴设计手段。结合CFD设计出的喷嘴可以完成喷涂工作，但是该方法同样缺少冷喷嘴的相关设计原则，需反复更改喷嘴各部分尺寸，优化过程需要较长时间的建模以及计算，因此采用该方法设计出的冷喷嘴缺乏材料专用性，同时设计时间长。因此，开发出一种有效、便捷的冷喷涂喷嘴设计方法将非常有工程意义。不仅可以缩短喷嘴的设计周期，还可以得到对喷涂材料具有专用性设计的喷嘴从而提高喷涂质量。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，通过对喷嘴尺寸影响因素(气体种类、压力、粉末种类等)的分析快速设计出最优化的喷嘴。技术方案一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径Di、收缩段长度Lu、喉部直径Dt、扩张段长度Ld和出口直径De，设计步骤如下：步骤1、原始尺寸：首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径Dt：其中：qm为气流质量流量，γ为气体的比热比，Pi为气体压力，Ti为气体温度，R为理想气体常数；出口直径为：其中：为扩张比，Ld为扩张段长度，根据预设压力和粉末选择；收缩段长度Lu设定为30mm～50mm；入口直径：Di≥10D1，其中：D1为送粉口直径；步骤2：采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，模型分三个区域，喷嘴收缩段，喷嘴扩张段及外流区域，外流区域含有喷涂基体；步骤3：将步骤2模型的输出的网格文件导入流体计算软件FLUENT，根据实际工作条件定义流体性质、喷涂材料，设置边界条件和流场初始化，开始迭代运算；步骤4、对步骤1的原始出口直径De和扩张段长度Ld进行优化：出口直径De的优化原则：气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.2mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；扩张段长度Ld的优化原则：粒子速度是否大于临界沉积速度调整扩张段长度；修改时，每次以40mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；所述临界沉积速度为涂层形成的最小粒子速度，通过如下公式计算：vcr＝667-14ρ十0.08Tm十0.1σu-0.4Ti其中：ρ为材料密度，Tm为材料熔点，σu为极限强度，Ti为气体温度；出口直径De的优化原则：若气流存在严重过膨胀时缩小出口直径，气流存在严重膨胀不足时扩大出口直径；修改时，每次以0.6mm为单位在原始尺寸上进行增大或减小；每次修改后，重复步骤2-步骤4。所述出口直径De的优化原则在步骤4修改的基础上，当气流速度云图较为合理后进行出口直径的细调，当改变出口尺寸后得到的粒子速度最大时为最优化尺寸，修改时，每次以0.2mm为单位对前一尺寸进行增加或减小。所述扩张段长度范围为0≤Ld≤200Pi，Pi为气体压力。所述所述建模软件采用GAMBIT。有益效果本专利技术提出的一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，基于材料条件及气体条件，通过分析材料及气体特点选择初始尺寸，之后通过CFD计算得到优化尺寸，可实现冷喷嘴的快速优化设计，同时针对不同喷涂材料及工艺条件完成各类喷嘴的专用设计。附图说明图1：冷喷涂喷嘴几何参数说明图2：冷喷涂喷嘴设计流程图图3：冷喷嘴初始尺寸设定流程图图4：冷喷嘴CFD二维仿真模型示意图图5：喷嘴出口气流速度云图图6：不同喷嘴中最大粒子速度具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术的冷喷涂喷嘴设计方法，所要解决的技术问题是建立一系列适用于冷喷涂喷嘴的设计原则，同时得到一套完整有效的冷喷嘴设计方法，从而通过对喷嘴尺寸影响因素(气体种类、压力、粉末种类等)的分析快速设计出最优化的喷嘴。为解决上述技术问题，本专利技术提出了基于分析喷涂材料和工艺参数并结合CFD的喷嘴设计方法，所采用的技术方案是：S1，原始尺寸设定工序，基于对颗粒速度关键影响因素的分析预设喷嘴尺寸；S2，二维喷涂模型构建工序，通过绘图软件构建原始尺寸的喷涂模型；S3，模拟计算工序，对喷涂模型进行模拟计算；S4尺寸优化工序，对模拟计算结果进行分析，依据分析结果优化冷喷嘴相应尺寸。该方法中所设计的冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段两部分，设计出的喷嘴尺寸包括：入口直径(Di)、收缩段长度(Lu)、喉部直径(Dt)、扩张段长度(Ld)、出口直径(De)。原始尺寸设定工序是对喷嘴关键结构的初始尺寸进行设定的工序，也是冷喷嘴的设计原则。其中对粒子速度影响的关键因素包括工艺参数(气体种类、压力、温度)和粒子特点(种类、质量)。根据粒子种类选择气体种类、气体压力(Pi)及温度(Ti)，再由工艺参数及单个粒子质量共同设定喷嘴原始尺寸。初始尺寸选取中首先确定喉部直径，依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径：qm为气流质量流量，γ为气体的比热比。另外喷嘴出口马赫数(Ma)与喉部面积(At)、出口面积(Ae)存在如下扩张比(扩张比是指出口面积与喉部面积的比值)关系式，出口面积为单道次喷涂面积，需综合预期气体消耗成本与喷涂效率最终确定喉部直径。马赫数不变时，喉部面积最终影响出口面积大小，出口面积为单道次喷涂面积，考虑喷涂效率调节喉部直径大小。若采用气体成本较高，直接采用限定气体质量流量的原则计算得到喉部直径；若气体成本较低，以提高喷涂效率为原则，在限定气体质量流量的基础上增加喉部直径0～0.5mm。根据设定的气体压力以及粉末特点设定Ld。压力及扩张段长度影响气流在喷嘴出口激波的位置，根据预设压力选取扩张段长度范围为0≤Ld≤200Pi。同时粒子质量也影响加速效果，质量较大粒子应在此范围内选取长扩张段以增加加速时间，质量较小粒子应在此范围选取短扩张段以节省喷嘴材料。喉部直径与出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径Di、收缩段长度Lc、喉部直径Dt、扩张段长度Ld和出口直径De，设计步骤如下：步骤1、原始尺寸：首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径Dt：

【技术特征摘要】
1.一种冷喷涂的冷喷嘴的设计方法，其特征在于：冷喷嘴为圆形截面Laval喷嘴，包括收缩段和扩张段，喷嘴尺寸包括：入口直径Di、收缩段长度Lc、喉部直径Dt、扩张段长度Ld和出口直径De，设计步骤如下：步骤1、原始尺寸：首先确定喉部直径：依据气体种类限定气体质量流量后通过如下公式确定喷嘴喉部直径Dt：其中：qm为气流质量流量，γ为气体的比热比，Pi为气体压力，Ti为气体温度，R为理想气体常数；出口直径为：其中：为扩张比，Ld为扩张段长度，根据预设压力和粉末选择；收缩段长度Lu设定为30mm～50mm；入口直径：Di≥10D1，其中：D1为送粉口直径；步骤2：采用建模软件建立喷嘴初始尺寸模型及尺寸修改优化后的简化模型，模型分三个区域，喷嘴收缩段，喷嘴扩张段及外流区域，外流区域含有喷涂基体；步骤3：将步骤2模型的输出的网格文件导入流体计算软件FLUENT，根据实际工作条件定义流体性质、喷涂材料，设置边界条件和流场初始化，开始迭代运算；步骤4、对步骤1的原始出口直径De和扩张段长度Ld进行优化：出口直...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文亚，韩天鹏，杨夏炜，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61