激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法技术

本发明专利技术提供一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，涉及激光制造技术领域。该方法首先得到粉末物性参数和同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；再进行参数标定获得仿真实验参数，根据同轴送粉喷嘴结构参数建立同轴送粉喷嘴三维计算模型，并利用离散元方法建立粉末颗粒模型和同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型，然后采用计算流体力学方法建立同轴送粉喷嘴气‑粉两相模型，进而得到同轴送粉喷嘴的气‑粉流场分布情况。本发明专利技术提供的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，充分考虑了气‑粉两相之间的作用关系以及离散相粉末颗粒物性等因素对粉流流场的影响，从而准确获得了同轴送粉喷嘴粉流流场分布情况。

【技术实现步骤摘要】
激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法
本专利技术涉及激光制造
，尤其涉及一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法。
技术介绍
激光增材再制造技术是近年来兴起的一种表面修复技术，使用该技术对失效或误加工零件进行再制造修复，能够极大地降低生产成本，具有很好的现实意义。同轴送粉喷嘴作为激光增材再制造过程中的重要部件，它引导粉末流均匀送入激光强作用区域与基体同时熔化形成熔覆层，因此它的工作性能直接影响再制造后的成形质量。目前，激光增材再制造最优加工工艺仍以试凑性试验为主，还没有足够的技术和理论能够控制再制造后的成形质量，它主要的技术缺陷之一在于粉末输送稳定性差、粉末使用率低，因此，如何准确得出同轴送粉喷嘴粉末流场运动规律、改善送粉稳定性以提高粉末使用率以及能够精确调控送粉工艺参数是激光增材再制造丞待解决的一大难题。现有数值模拟技术中，同轴送粉喷嘴气-粉两相流模型主要为基于计算流体力学方法的DPM离散相模型和Euler-Euler双流体模型。Euler-Euler双流体模型是将粉末流当做拟流体，不考虑颗粒-颗粒、颗粒-几何之间的碰撞等问题，忽略了大多数颗粒本身物性特征；而DPM模型是单相耦合，是将粉末颗粒当做空间上的一个个质点，仅仅考虑它的质量而不考虑本身的形状、体积对流场的作用，这样虽然通过计算能够大致得到粉末流场的变化趋势，但是并不能准确描述粉末流在实际情况下的流场分布情况，对改善同轴送粉喷嘴送粉性能的指导作用不大。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，实现准确描述同轴送粉喷嘴粉流流场分布情况。激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，包括以下步骤：步骤1、通过试验获取同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数，通过测量获取同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；所述试验获取的同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数包括：粉末颗粒的粒度分布、粉末颗粒的形状、粉末颗粒的密度、粉末颗粒的休止角以及粉末颗粒在同轴送粉喷嘴壁面的滑动角；所述测量获取的同轴送粉喷嘴的材料参数包括：喷嘴材料的密度、泊松比和剪切模量；所述测量获取的同轴送粉喷嘴的结构参数包括：粉末入口直径、粉末入口数量、粉末入口角度、喷嘴环型通道内壁直径和外壁直径、喷嘴的漏斗状渐缩环型通道内外壁与水平面的夹角、喷嘴粉末流的环型出口宽度以及圆柱形计算域的直径和高度；步骤2、根据所述粉末颗粒的物性参数，在离散元软件中建立同等物性参数下的仿真实验，并将仿真结果与步骤1中的试验结果进行比对，标定仿真实验参数并优化；所述仿真实验参数包括：粉末颗粒和同轴送粉喷嘴材料的剪切模量、泊松比、密度，粉末颗粒与粉末颗粒之间的弹性恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数，粉末颗粒与同轴送粉喷嘴壁面之间的弹性恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数；步骤3、利用优化后的仿真实验参数建立离散相粉末颗粒模型；步骤4、根据同轴送粉喷嘴的结构参数，建立1∶1比例大小的同轴送粉喷嘴三维计算模型，并导入到所建立的离散相粉末颗粒模型中，得到同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型；步骤5、利用计算流体力学方法，将所述同轴送粉喷嘴三维计算模型导入至计算流体力学软件，建立同轴送粉喷嘴的气-粉两相流模型，进而建立离散元与计算流体力学之间的耦合联系，对同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟，得到同轴送粉喷嘴的气-粉流场分布情况；所述建立同轴送粉喷嘴气-粉两相流模型的具体方法为：利用计算流体力学方法设置流体性质以及湍流类型，施加粉流入口速度边界条件，粉流出口压力边界条件，保证粉末颗粒与气流均匀混合并以相同速度射入喷嘴型腔，利用计算流体力学方法计算粉末颗粒在流体中受到的曳力，并将曳力作用于粉末颗粒，结合离散元方法更新下一时步粉末颗粒的位置和速度信息；所述同轴送粉喷嘴的气-粉流场分布包括：同轴送粉喷嘴气流场分布、粉末浓度分布和粉末流空间位置分布；步骤6、在送粉工艺参数和同轴送粉喷嘴结构、材料参数与仿真一致的基础上，进行同轴送粉实验研究，对比仿真结果与实验结果的粉末流场指标，验证仿真结果的准确性；所述粉流流场指标包括：粉流上焦距、粉流下焦距、粉流焦柱长和焦柱直径。由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，充分考虑了离散相粉末颗粒的物性特征，使流体与颗粒在更能发挥本身优势的计算领域中进行数值模拟，从而能更加准确描述同轴送粉喷嘴粉流流场分布情况。粉末颗粒基于离散元理论进行运动和受力求解，可以直观得到粉末流的运动轨迹和空间分布情况。该数值模拟方法计算精确，成本低廉，可以通过此方法对同轴送粉喷嘴流场进行评估和预测，优化送粉工艺参数，对优化同轴送粉喷嘴工作性能、改善激光增材再制造后的成形质量具有显著意义。附图说明图1为本专利技术实施例提供的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴三维计算模型图；图3是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴粉流运动的离散元仿真模型图；图4是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴的气流场速度分布云图，其中，(a)为同轴送粉喷嘴总体区域内的气流场速度分布，(b)为气流在同轴送粉喷嘴不同截面高度上的速度分布；图5是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴粉末流运动轨迹云图；图6是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴轴向的粉末流浓度分布图；图7是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴径向的粉末流浓度分布图；图8是本专利技术实施例提供的同轴送粉喷嘴粉末流运动轨迹实验与仿真结果对比图，其中，(a)为同轴送粉喷嘴粉末流实际运动轨迹图，(b)为同轴送粉喷嘴粉末流运动轨迹仿真图。图中，1、粉末流入口；2、环形通道；3、保护气入口；4、粉末流出口；5、圆柱形计算域；6、漏斗状渐缩环型通道。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本实施例以某激光增材再制造同轴送粉喷嘴为例，使用本专利技术的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法进行数值模拟。激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、通过试验获取同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数，通过测量获取同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；试验获取的粉末颗粒的物性参数包括：粉末颗粒的粒度分布、粉末颗粒的形状、粉末颗粒的密度、粉末颗粒的休止角以及粉末颗粒与同轴送粉喷嘴壁面的滑动角；测量获取的同轴送粉喷嘴的材料参数包括：喷嘴材料的密度、泊松比和剪切模量；测量获取的同轴送粉喷嘴的结构参数包括：粉末入口直径、粉末入口数量、粉末入口角度、喷嘴环型通道内壁直径和外壁直径、喷嘴的漏斗状渐缩环型通道内外壁与水平面的夹角、喷嘴粉末流的环型出口宽度以及圆柱形计算域的直径和高度。本实施例中，试验获取的粉末颗粒的物性参数中的粉末颗粒的粒度分布和粉末颗粒的形状分别如表1和表2所示；表1粉末颗粒的粒度分布粒径分布/μm比例90～8010％80～6010％60～4040％40～3035％30～05％表2粉末颗粒的形状及比例形状比例球形70％椭球形20％长条形10％粉末颗粒的其他物性参数分别为：粉末颗粒密度为8000kg/m3，粉末颗粒的休止角为34°，粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、通过试验获取同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数，通过测量获取同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；步骤2、根据所述粉末颗粒的物性参数，在离散元软件中建立同等物性参数下的仿真实验，并将仿真结果与步骤1中的试验结果进行比对，标定仿真实验参数并优化；步骤3、利用优化后的仿真实验参数建立离散相粉末颗粒模型；步骤4、根据同轴送粉喷嘴的结构参数，建立1∶1比例大小的同轴送粉喷嘴三维计算模型，并导入到所建立的离散相粉末颗粒模型中，得到同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型；步骤5、利用计算流体力学方法，将所述同轴送粉喷嘴三维计算模型导入至计算流体力学软件，建立同轴送粉喷嘴的气‑粉两相流模型，进而建立离散元与计算流体力学之间的耦合联系，对同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟，得到同轴送粉喷嘴的气‑粉流场分布情况；步骤6、在送粉工艺参数和同轴送粉喷嘴结构、材料参数与仿真一致的基础上，进行同轴送粉实验研究，对比仿真结果与实验结果的粉末流场指标，验证仿真结果的准确性。

【技术特征摘要】
1.一种激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、通过试验获取同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数，通过测量获取同轴送粉喷嘴的材料参数及结构参数；步骤2、根据所述粉末颗粒的物性参数，在离散元软件中建立同等物性参数下的仿真实验，并将仿真结果与步骤1中的试验结果进行比对，标定仿真实验参数并优化；步骤3、利用优化后的仿真实验参数建立离散相粉末颗粒模型；步骤4、根据同轴送粉喷嘴的结构参数，建立1∶1比例大小的同轴送粉喷嘴三维计算模型，并导入到所建立的离散相粉末颗粒模型中，得到同轴送粉喷嘴粉末颗粒运动的离散元仿真模型；步骤5、利用计算流体力学方法，将所述同轴送粉喷嘴三维计算模型导入至计算流体力学软件，建立同轴送粉喷嘴的气-粉两相流模型，进而建立离散元与计算流体力学之间的耦合联系，对同轴送粉喷嘴粉流流场进行数值模拟，得到同轴送粉喷嘴的气-粉流场分布情况；步骤6、在送粉工艺参数和同轴送粉喷嘴结构、材料参数与仿真一致的基础上，进行同轴送粉实验研究，对比仿真结果与实验结果的粉末流场指标，验证仿真结果的准确性。2.根据权利要求1所述的激光增材再制造同轴送粉喷嘴粉流流场的数值模拟方法，其特征在于：步骤1所述试验获取的同轴送粉喷嘴粉末颗粒的物性参数包括：粉末颗粒的粒度分布、粉末颗粒的形状、粉末颗粒的密度、粉末颗粒的休止角以及粉末颗粒在同轴送粉喷嘴壁面的滑动角；所述测量获取的同轴送粉喷嘴的材料参数包...

【专利技术属性】
技术研发人员：王闯，郭辰光，李强，赵丽娟，岳海涛，张建卓，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21