毕业论文范文——激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场的数值模拟

《毕业论文范文——激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、西安航空职业学院毕业论文激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场的数值模拟姓名：专业： 航空电子班级：完成日期：指导教师:摘要：采用CFD-ACE+多物理场软件对激光熔融沉积增材制造中同轴送粉过程的粉末颗粒运动轨迹及温度场进行了模拟研究。运用N-S方程组和拉格朗日方程组模拟气相与颗粒离散相的运动轨迹，并且建立了温度场计算模型计算粉末流与激光光束的互相作用。通过改变载气量，颗粒度，激光功率以及送粉量等工艺参数，得出了对颗粒运动轨迹及温度场影响的变化规律。最终，将模拟结果与实际情况进行了对比。运动轨迹的模拟外观轮廓与实际情况基本符合。

2、温度场的实际测量限制于图像捕捉器材的局限性，虽然所得出的结果并达不到模拟温度场的温度，但可以发现其颗粒度、送粉量以及激光功率对温度场的影响规律与模拟温度场结果基本相似。关键词：温度场，粉末颗粒，运动轨迹，同轴送粉，数值模拟，激光沉积成型0前言激光熔融沉积成形技术具有生产效率高、成本低和基本上无污染等优点，具有很好的应用前景。由于激光熔融沉积成形是一个快速熔凝的过程，工艺过程中的粉末颗粒运动及温度场变化难以实验测定，使得数值模拟方法在此领域快速发展[1]。同轴送粉法是目前最为先进的激光沉积送粉技术，它能够将粉末均匀分散成环型再汇聚

3、后送入聚焦的激光光束中，从而达到各向同性的功能[2]。送粉过程中激光束照射在粉末流颗粒群上，颗粒吸收了激光能量温度升高。由于颗粒在激光束中的流动形态各不相同，如速度、位置均有差异，因此温升会有所不同。部分粉末颗粒没有熔化、部分颗粒发生熔化，所以到达熔池时粉末颗粒的不同物理状态对熔覆层的形成会产生影响。另一方面，在气载输送条件下的气体和粉末颗粒流动过程的速度分布以及下落过程空间分布具有一定的规律，这些参数的变化及分布情况对金属粉末颗粒吸收的能量及温度场有一定影响，有必要从流体力学和热力学的角度对粉末的送粉过程进行研究。近几年来随着

4、计算机科学、计算方法、计算传热学和计算流体力学研究工作的发展及工程分析软件的不断完善，使研究者有可能对工程实际问题进行数值模拟和仿真。天津工业大学激光研究所得靳晓曙等建立了无激光作用的冷粉末流场模型，但该数值模拟不适合于更为复杂的多物理场的同轴送粉的粉末流温度场的模拟计算[3]。曼彻斯特大学的JuansethiMedina博士对同轴送粉喷嘴粉末流场进行了模拟与试验研究，建立了激光熔覆中粉末喷嘴输出的保护气体／金属粉末两相流场计算模型以及两相流动量和质量传输数值模拟模型，并对温度场和速度场进行了计算机模拟，其研究为同轴送粉的数值模

5、拟提供了基础[4]。本文将根据多物理场模型采用CFD-ACE+软件对激光同轴送粉过程中颗粒运动轨迹及温度场进行模拟。该软件是由美国CFDRC公司开发的最先进的CFD及多物理场软件，CFD-ACE+它包括最先进的数值和物理模型及高级的前后处理模块[5]。对于同轴送粉的数值模拟将采用流体力学、传热/辐射和喷雾/颗粒等模块进行对其多物理场的仿真模拟。1.物理模型1.1模型建立方案与假设（1）材料参数本次试验选取TC4合金板为基体材料，成形粉末为TC4合金球型粉末，颗粒度为150μm，粉末的物理性能参数如表1所示，激光功率为800W，粉

6、末流量为4g/min，送粉气体的流量为5L/min，送粉气体为氩气，氩气的物理性能参数如表2所示，每次试验其参数只有一项变化，其他参数均保持不变。表1钛合金TC4粉末的物理性能物理性能数值颗粒熔化温度-熔点（K）1923.15颗粒能量吸收率0.4293K时颗粒固相密度(kg/m3)4440固相密度的温度系数(kg/(m2·K))-0.275293K时颗粒传热系数(W/(m·K))6.8293K时颗粒传热系数温度系数(W/(m·K2))0.006293K固相颗粒比热(J/（kg·K）)611固相颗粒比热温度系数(J/kg·K2)0

7、.224表2氩气的物理性能物理性能数值密度（kg/m3）1.67导热系数（W/(m·K)）0.0163比热（J/(kg·K)）520动力粘度（Pa·s）2.09*10-5（2）粉末颗粒运动模拟CFD-ACE+提供流体力学（FluidDynamics）模块及喷雾/颗粒（Spray/Particles）模块模拟保护气体及颗粒运动：①采用有限体积法求解N-S方程，可以模拟颗粒周围的保护气体运动；②采用拉格朗日-欧拉耦合方法，可以模拟颗粒-气体两相流运动；③可以定义喷射颗粒的大小、位置、角度、速度及成分组成；④通过仿真可以分析颗粒运动过

8、程及空间分布状态。（3）激光加热模拟CFD-ACE+提供传热/辐射（HeatTransfer）模块模拟激光加热过程：①采用预先设定的热力学热量传递的数学模型，可以耦合FluidDynamics模块及Spray/Particles模块进行求解；②模拟激光对颗粒的加