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1 前言
气体雾化技术是快速凝固喷射成形工艺的核心技术之一,沉积坯质量很大程度上依赖于雾化器结构及其相关的结构参数,喷射成形工艺的雾化器及其相关理论愈加受到重视。英国、美国以及日本的某些公司、大学斥巨资开发新型雾化器,并取得很大进展[1～5]。雾化技术是涉及到气体动力学,气体/金属两相流动动力学等多学科的综合技术,气体动力学理论是雾化器设计的主要依据。将基于气体动力学理论的数值模拟技术应用到雾化气体流场分析和雾化器设计是本研究组在高温合金喷射成形技术研究中的重要内容之一。本文采用美国进口气体动力学软件,对一种典型结构的雾化器进行了模拟计算,并分析比较了不同导液管出口长度对雾化室内气体流场的影响。
2 雾化器结构及数值计算
图1为本文选用的雾化器结构示意图,雾化器为约束式,气体沿环状缝隙流出,缝宽为0 4ｍｍ,气体出口角度为30°;导液管外径9 0ｍｍ,内径4ｍｍ,导液管出口长度选0 5,1 0,1 5ｍｍ3种。
本文模拟计算是在由美国ＣＦＤ公司提供的ＣＦＤ ＡＣＥ+软件包上进行的,由于雾化器是轴对称结构,理想状态下,该雾化器产生的气体流场也应该是轴对称结构,所以二维的计算结果与实际相差不大。选择的计算尺寸为400ｍｍ长,100ｍｍ宽。计算区域的上边界和右边界设为出口边,下边界为对称线,导液管和环缝分别为入口端。选用的计算模型为流动和涡流模式,用标准的Ｋ ε方程来计算涡流对流场的影响。计算时选用雾化气体为氮气,雾化压力为1 5ＭＰａ,由低压算起,然后利用低压时计算结果作为初值,循序提高压力,直至1 5ＭＰａ。
3 结果分析与讨论
图2(ａ)为总体的气体流场状态图,边缘部分速度较低,甚至向反ｚ向流动,其颜色较深。中间速度较大,颜色较浅。图上的曲线表示在该位置的速度大小,可根据图下方的标尺估算出不同位置的速度值。气体刚飞离出口时,两边的气体不能完全混合。所以速度的极大值不在中间,速度曲线有两个峰值。随喷射距离的增加,气体逐渐叠加混合,两峰逐渐靠近并重合成为一个。图2(ｂ)为对称轴线上气体的速度变化图,在导液管出口附近有一个低速或负速度区,在该区域内金属发生雾化,超出该区域后,气体的速度迅速增大,而后逐渐减小。图2(ｂ)中的空心圆点表示实际的测量结果,与计算结果基本吻合。
图3为雾化气体流场的静压力场分布。上半图为等压线分布图,下半图为中心对称线上压力随喷射距离的变化曲线。从图中可以看出,在导液管出口附近的气体静压力不均匀,出现两个较高的正压区,一个在导液管外壁附近,该正压区是由于高速气体撞击导液管壁,并产生折射而至,该正压区压力越高,气体的能量损失越大。另外在导液管前方距离导液管出口7ｍｍ附近有一个较小的正压区,其最高压力可达到11ｋＰａ,该正压区是由于雾化器喷射的环状气体在此汇聚,而产生气体压缩。在导液管出口处存在一个负压区,其负压值可达到-8ｋＰａ,负压是由于高速气体流过导液管端口时对端口前端气体产生了抽吸作用,使该区域的气体被抽走而形成的,该负压的抽吸作用可使导液管内金属液体顺利流下,有利于雾化过程的稳定。在负压和正压区之间压力逐渐变化。整个压力变化受气体雾化压力和导液管结构影响。远离导液管端口区域的静压力趋于零值。
图4为导液管伸出长度不同时,导液管出口附近的气体流动状态变化。在导液管前端,雾化气体压力不均匀,雾化气体流动状态十分紊乱。雾化器缝隙距导液管末端距离很近,气体流动状态受其影响严重,随导液管伸出长度的加长(在一定范围内),其对雾化气体流动状态的影响愈加剧烈。当导液管伸出长度为0 5ｍｍ时,高速气流和导液管壁相互作用产生的涡流区距导液管出口很近,该区域内的气体回流已经影响到导液管内气体流动,使导液管内气体产生逆流,即在金属雾化时产生反喷现象,会导致喷射失败。当导液管伸出长度为1 0ｍｍ时(Ｐ1=1 0ｍｍ),导液管前端的涡流区距导液管出口的距离相对增加,涡流的回流气体对导液管内部气体的影响变小,导液管内的气流速度几乎为零,此时喷射气流对导液管内金属不能产生抽吸作用,金属只能靠自身的重力流下,金属雾化的可靠性较低。当导液管出口长度为1 5ｍｍ时(Ｐ1=1 5ｍｍ),导液管前端涡流区距导液管出口距离更大,导液管内气体已经不受涡流的回流气体的影响,此时雾化气体对其的抽吸力起主导作用,导液管内气体向下流动,适合于稳定的金属雾化过程。所以对于本文选用的雾化器,其导液管的伸出长度必须大于1ｍｍ,以1 5ｍｍ左右为宜。
对图4的进一步分析发现,金属液从导液管内流出后,将立即进入一个气体涡流区域,在雾化气体的抽吸作用下,金属沿导液管前端口壁向两边流出,并在气体涡流的进一步搅动下逐渐雾化,如图5所示。所以对于约束式雾化器而言,其金属雾化主要是靠导液管出口处的负压涡流区的紊流作用来实现,与开放式雾化器的气体撞击作用不同。负压涡流区越大,紊乱程度越大,越有利于金属雾化。
4 结论
(1)高压气体通过雾化器产生的气体流速随喷射距离和径向距离的改变发生变化,一般距射流中心越远,气体速度越小,而不同轴线位置上气体速度分布状态不同。随喷射距离的增加,在轴线上气体速度经历一个先减后增,最后再减的过程。
(2)在导液管出口处,存在一个负压涡流区,导液管出口具有一定长度后才能产生足够的抽吸气流,使金属顺利流出雾化。
(3)约束式雾化器的金属雾化主要是导液管前端的负压紊流区作用的结果,紊流区越大,紊乱程度越大,雾化效果越好。
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