冷噴涂技術(shù)起源于上世紀八十年代,在近二十年得到了快速發(fā)展。微小噴嘴在冷氣動力學噴涂領(lǐng)域也有重要應用,在材料表面改性的冷噴涂技術(shù)中,粉末顆粒超音速的速度沖擊到工件表面形成固態(tài)顆粒涂層。冷噴涂的顆粒溫度低于其烙點,因此消除了高溫對涂層和基體的不利影響,避免了高溫造成的氧化、蒸發(fā)、剝離等問題,并且粉末可回收和重復使用,且對于較硬材料例如鎮(zhèn)、鏡及其合金均可沉積。噴嘴使粉末顆粒速度超過音速,粒子速度、噴涂面積、顆粒分布情況均取決于噴涂所用噴嘴。圖1-3為典型的冷噴涂系統(tǒng)示意圖高壓氮氣將固體顆粒混合到噴嘴氣流中,并使其加速在出口獲得超音速的速度噴向基體表面,形成涂層。

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第2章微小噴嘴結(jié)構(gòu)設計

2.1噴嘴工作原理

噴嘴一維定常可壓縮氣體流動指垂直于噴嘴軸線的每個截面上的氣流參數(shù)保持均勻一致,噴嘴中流動氣體的可壓縮性顯著,此時可將氣體在噴嘴中的流動簡化為一維運動,把氣體真實的三維流動近似當做一維流動來分析,可簡化流場參數(shù)的求解難度,便于噴嘴的設計和性能計算。微小噴嘴體積較小,進行計算和仿真的過程可以忽略與外界的熱交換,將噴嘴流動視為絕熱的過程,即噴嘴內(nèi)部氣流與外界沒有熱交換。圖2-1所示為噴嘴一維定常絕熱流動的一個微元段控制體。m是噴嘴的質(zhì)量流量,S是噴嘴截面面積,是氣體密度,F是氣體速度,f是氣體壓力,了是氣體溫度。一維噴嘴絕熱流動的基本方程主要有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、氣體狀態(tài)方程組成。

2.2微小噴嘴幾何參數(shù)設計

湍流運動是一種無窮多尺度游禍流動,并且具有數(shù)學上的強烈非線性,使得理論實驗和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題。雖然納維-斯托克斯方程能夠較準確描述湍流運動,但求解這樣一個復雜的方程會花費大量的精力和時間�？刹捎闷骄{維-斯托克斯方程方程來描述工程和理學問題中遇到的湍流運動。當對三維非定常隨機不規(guī)則的有旋瑞流流動的納維-斯托克斯方程平均后,得到相應的平均方程,此平均方程中增加了六個未知的雷諾應力項,形成了湍流基本方程的不封閉問題。根據(jù)湍流運動規(guī)律尋找適合工程應用的附加條件和關(guān)系式使方程封閉促進了近幾年來各種湍流模型的發(fā)展。但在平均過程中會使流動的脈動細節(jié)信息丟失,為了找回這些失去的流動信息,可引入湍流模型。

第3章微小噴嘴性能的粗糙度效應.......39

3.1噴嘴壁面粗權(quán)度的建模.....39
3.2基于CFD仿真的噴嘴加工刀具優(yōu)選......43
3.3噴嘴的尺度效應.....47
3.4基于摩擦效應的噴嘴性能預測模型.....55
3.5噴嘴粗糙度效應及性能預測模型驗證.....60

3.6不同入口總壓下粗禮度對噴嘴性能的影響.....66

3.7加工軌跡對噴嘴性能的影響.....73
第4章微小噴嘴加工技術(shù).....81
4.1微小噴嘴切削加工參數(shù)優(yōu)化.....81
4.2微小噴嘴切削加工刀具優(yōu)選.....91
4.3微小噴嘴切削加工壁面毛刺抑制技術(shù).....94
4.4微小噴嘴切削加工工苦路線優(yōu)化.....99
4.5噴嘴加工結(jié)果.....101
第5章微小噴推力測試.....109
5.1微小噴嘴推力測試平臺設計制造.....109
5.2不同工藝參數(shù)加工的噴嘴推力測試.....111
5.3不同刀具軌跡加工的噴嘴推力測試.....119
5.4本章小結(jié).....121

第5章微小噴嘴推力測試

5.1微小噴嘴推力測試平臺設計制造

利用不同的刀具軌跡加工所得噴嘴的壁面殘留方向不同:圓周刀具軌跡所加工的噴嘴具有與氣流方向垂直的壁面殘留,而軸向刀具軌跡所加工的噴嘴,其壁面殘留方向氣流方向一致。對比分析這兩種刀具軌跡加了的噴嘴推力功能，,闡釋粗糙度方向?qū)娮焱屏π阅艿挠绊懸?guī)律,可指導噴嘴加工的刀具軌跡選擇。

5.2不同工藝參數(shù)加工的噴嘴推力測試

由第3章噴嘴CFD仿真結(jié)果可知,隨著噴嘴壁面粗糙度的增加,噴嘴性能呈現(xiàn)下降趨勢。對不同工藝參數(shù)加工的噴嘴進行推力測試,可分析驗證噴嘴粗糙度效應對噴嘴推力的影響。喉部直徑1mm微小噴嘴為例,加工4個噴嘴,其加工工藝參數(shù)如表5-1所示。四個噴嘴分別采用r球頭餅刀和錐形銳刀兩種刀具,其中球頭銳刀采用三組不同的軸向切削深度,獲得不同的壁面粗糙度。

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第6章結(jié)論與展望

(1)提出了微小噴嘴收縮段、擴張段的選型原則,揭示了擴張段長度對微小噴嘴速度及推力性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:噴嘴收縮段采用維托辛斯基曲線或直線形均可以滿足氣流均勻加速的要求,而直線型收縮段噴嘴的氣流速度略高,應優(yōu)先選用;微小噴嘴應選用具有最小內(nèi)表面積的直線型擴張段,可減小氣流與噴嘴的接觸面積,抑制噴嘴的表面效應。隨著噴嘴擴張段長度增加,其速度及推力性能呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢,利用計算流體動力學CFD仿真結(jié)果確立了擴張段的最佳長度,對于喉部直徑1mm的微小噴嘴,其擴張段最佳長度為3mm。

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參考文獻（略）

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本文編號：356740