面向RPST的氩氮等离子射流温度分布的测量

在假定等离子体处于局域热力学平衡与光学薄条件下 ,用谱线绝对强度法测量了在等离子熔射快速制模(RPST)过程中氩氮等离子射流的温度分布。实验由CCD装置采集等离子射流图像 ,通过标定实验建立射流图像灰度和辐射强度之间的函数关系并应用Abel变换最终得到射流的温度场分布。获取的温度场将为RPST熔射工艺的合理设计提供科学依据     

电弧等离子体多物理场分布特征

等离子弧加热技术被广泛应用于冶金领域,采用磁流体动力学理论(Magnetohydrodynamic theory,MHD)建立直流电弧等离子体的数学模型,利用Fluent软件求解电磁场、温度场、速度场的耦合过程,研究不同弧长大小,不同入口速度对电弧温度分布、形貌、轴向速度分布和电流密度分布的影响。研究结果表明,弧长大小和入口速度对电弧特征分布有明显影响,但不是线性相关。电弧温度沿轴向降低,径向温度分布是以轴线为中心沿两侧径向逐渐降低,等离子弧温度呈“钟型”分布。电弧中心轴线速度在阴极处急剧增加然后逐渐降低。沿轴向方向,电流密度呈指数下降趋势。当入口速度为10 m/s时,随着弧长的增加,电弧有效作用面积范围也增加,当弧长为20 mm或25 mm时,射流现象最明显,轴向最大速度可达到约408 m/s。研究结果解释了不同弧长和入口速度对电弧特征的影响规律,为电弧等离子体加热工艺的应用提供了理论依据。     

等离子喷涂射流的三维非稳态数值模拟

基于局域热力学平衡假设,建立等离子喷涂射流的三维非稳态湍流模型,运用计算流体力学软件ANSYS CFX模拟了氩/氢等离子喷涂过程中等离子特性分布以及喷枪内部场变化对射流形态的影响,并与高速摄像机的拍摄结果进行了对比。结果表明:模拟得到的射流波动明显,其形态与试验得到的结果吻合较好;喷枪内与射流域等离子体特性分布表现出明显的三维特征,其中速度分布的三维特征较之温度的更加明显;射流射入大气中后,温度和速度均沿轴向衰减,随着射流发展,与冷空气的卷吸作用愈明显,等离子体与冷空气之间能量和动量交换愈剧烈,大约距离喷枪出口27.4mm处其温度和速度的衰减加剧;射流域速度分布较之温度分布受空气影响更大。     

等离子熔射成形射流温度场采集

等离子熔射成形过程中射流品质直接影响着粉末的熔融状态和飞行特性,从而影响了成形质量,因此射流品质诊断已成为该领域的重要研究课题之一.针对等离子射流高温、高速和能量集中等特点,采用CCD数据采集装置结合计算机图像处理技术,实现了熔射过程射流温度场的实时采集和处理.着重研究射流图像采集的基本原理,建立CCD实时图像采集试验系统,提出高温区数据采集方法,并对采集结果进行伪彩色处理.研究成果对实现熔射成形过程可视化和成形质量的实时反馈控制具有重要意义.     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的特性

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,采用红外热像伪着色法测定了活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧电压与活性剂之间的关系进行了研究。研究结果表明：活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大。电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高。     

等离子射流与喷涂粒子微观交互作用研究现状

从微观角度看,等离子喷涂层实质上是由大量喷涂粒子在等离子射流中经过一系列复杂的理化变换之后,撞击基体并迅速铺展凝固所形成的,因而熔滴撞击基体前的理化特性对涂层的组织结构、缺陷密度、力学性能等指标具有重要影响。通过对喷涂粒子基本特征参数、射流中的传热机理、传质机理与粒子加速行为四个方面的总结,详细综述等离子射流与喷涂粒子的交互作用过程。总体来说,温度、速度是粒子的基本特征参数,而采用一些综合温度与速度的复合参数（如熔融指数、雷诺数、韦伯数等）对熔滴的理化特性具有更好的表征效果;粒子的加热过程由表及里,受到热导率、比表面积、热容量、飞行路径及射流特性等多种因素影响,部分熔滴容易由于温度过高而发生汽化现象;处于熔融状态的粒子具有较高的活性,因而容易在射流中与气体介质发生反应,包括O₂、N₂、H₂等,同时粉体内部也会发生一定的元素迁移或化学反应;粒子在射流中由于受到气流拖拽力、重力、热泳力及气压梯度力的综合作用而不断加速,同时会由于射流特性及熔化状态的差异而发生不同程度的破碎或细化现象。     

冷热流体湍性射流增压过程中的温度特性研究

基于计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM+对冷热流体湍性射流增压过程进行了数值模拟,运用大涡模拟湍性射流模型及Smqgorinsky-Lilly亚格子模型,对冷热流体湍性射流增压过程中容器内部速度场、压力场和温度场进行模拟,获得了速度、压力变化及温度分布规律,揭示高压容器增压过程中冷热流体混合的温度特性。从CAE的角度分析了高压容器增压过程中冷然流体混合的压强变化和温度分布不均的原因,为高压容器增压和内部温度均匀化提供理论依据。     

等离子弧焊匙孔对电弧物理特性影响规律的研究

匙孔是等离子弧焊的重要特征。建立等离子弧焊电弧数值模型,对比分析含匙孔和不考虑匙孔的两种情况下,电弧温度场、流场、电磁场等物理特性的差异性,揭示匙孔对等离子弧物理特性的影响规律。采用光谱诊断方法计算电弧温度分布,从而验证模拟结果。数值模拟研究结果表明,匙孔的出现,导致电弧体积增大,弧柱区平均电流密度下降,从而导致电弧最高温度降低约2 400 K,等离子体最大流速从437 m/s降低到349 m/s。匙孔直径沿匙孔深度方向减小,对电弧产生附加的机械压缩作用,使匙孔底部电弧的温度和速度上升。数值模拟与光谱诊断获取的轴线上温度大小及变化规律相接近,证明电弧数值模型的可靠性,也说明建立等离子弧数值模型时,应当考虑匙孔的影响。     

等离子熔射成形中粉末飞行特性研究

通过对射流图像的采集和处理，研究了气体流量、工作电流对射流温度场分布的影响。根据射流与粉末动量传递和能量耦合关系，建立粉末飞行特性模型，研究不同粉末在射流中的飞行时间，分析粒子飞行的温度特性和速度特性对熔射成形质量的影响。利用双比色原理对粉末飞行模型进行的实验验证表明：模拟结果与实验结果基本吻合，建立的粉末飞行特性模型对单粒子在射流中的飞行特性和动量／能量耦合规律的研究具有重要的意义。     

不同温度气体喷射特性的PIV试验研究

研究气体的喷射特性,用于指导发动机燃油供给系统的设计和燃烧室有效组织燃烧。基于粒子图像测速技术(PIV),对不同温度、不同压差下气体喷射的特性进行了对比研究。通过试验分析和图像处理等手段对射流流场及涡结构、气体射流边界扩展、喷嘴轴向流速衰减规律、断面流速分布等进行了总结。试验表明:射流边界呈线性扩展,可用锥角大小来表征其特性,锥角随压差的减小而增大,且增幅明显,温度对其也有一定影响。喷嘴射流的轴向速度与射流距离成反比,而速度的影响面积随射流距离的增大而增大,温度的增大使得相同压差下的轴向速度相应增大,断面流速的分布存在很大的相似性。     

Modelling and diagnostics of multiple cathodes plasma torch system for plasma spraying

Usage of a multiple-arcs system has significantly improved process stability and coating properties in air plasma spraying. However, there are still demands on understanding and controlling the physical process to determine process conditions for reproducible coating quality and homogeneity of coating microstructure. The main goal of this work is the application of numerical simulation for the prediction of the temperature profiles at the torch outlet for real process conditions. Behaviour of the gas flow and electric arcs were described in a three-dimensional numerical model. The calculated results showed the characteristic triangular temperature distribution at the torch nozzle outlet caused by three electric arcs. These results were compared with experimentally determined temperature distributions, which were obtained with specially developed computed tomography equipment for reconstructing the emissivity and temperature distribution of the plasma jet close to the torch exit. The calculated results related to temperature values and contours were verified for the most process parameters with experimental ones.     

射流管伺服阀前置级的动态流场分析

射流管电液伺服阀的喷嘴到接收孔间的流场较为复杂,尤其在射流管偏转及阀芯运动的动态情况下,会存在回流、漩涡等现象。以某型射流管电液伺服阀结构为模型,结合射流管偏转时的阀芯力平衡关系,得到阀芯的运动方程,应用雷诺平均方程和标准两方程模式的封闭方程,通过流体动力学软件FLUENT建立射流管伺服阀喷嘴到阀芯两腔的三维可视化模型,仿真分析了喷嘴到接收孔的前置级瞬态流场及阶跃响应。仿真结果表明:接收孔中的涡量强度会影响射流管电液伺服阀的阶跃响应,涡量强度越大、振荡越大、阶跃响应越慢,并通过试验测试阀芯位移验证了数值计算的正确性,同时对比了不同接收孔间夹角的同时刻涡量及阶跃响应,得到接收孔间夹角为45°的最优设计。研究方法和结果对于提高射流管电液伺服阀的动态响应有重要参考价值。     

液氮射流冲击冷却聚二甲基硅氧烷的温度场仿真和实验研究

为探究低温微磨料气射流加工聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流道过程中PDMS试样受液氮射流冲击冷却的温度变化和分布,提出了测温实验Beck反求算法拟合APDL温度场仿真的系统研究方法,仿真结果与测温结果的误差仅1.735%。仿真发现,表面到达明显脆化温度-147 ℃需要5.747 s,说明PDMS无法在接触液氮的瞬间就达到可加工的脆化状态,有必要重视加工前的预冷却时间;又通过仿真数据拟合了PDMS冷却至-147 ℃的冷却速度,以冷却速度为参考预测了实际加工中所需的预冷却时间。对比冷却速度发现,距PDMS试样表面0~100 μm深度范围内的冷却速度比0~1500 μm深度范围内冷却速度快22.054%,PDMS试样放置在铝合金工作台上的冷却速度比绝热工作台上快22.311%。     

Finite element simulation of high-pressure water-jet assisted metal cutting

Experimental studies have shown that improved metal cutting efficiency can be obtained when a high-pressure water/coolant jet is injected at the tool–chip interface. The pressure exerted on the chip face by the jet is expected to reduce, for example, friction along the tool–chip interface, temperature rise in the chip and the workpiece, the cutting force, and residual stress in the finished workpiece, leading to a longer tool life and a better surface integrity for the finished workpiece. This paper presents the results of finite element simulations of high-pressure water-jet assisted orthogonal metal cutting, in which the water jet is injected directly into the tool–chip interface through a small hole on the rake face of the tool. The mechanical effect of the high-pressure water jet is approximated as a pressure loading at the tool–chip interface. The frictional interaction along the tool–chip interface is modeled by using a modified Coulomb friction law. Chip separation is modeled by a nodal release technique and is based on a critical stress criterion. The effect of temperature, strain rate and large strain is considered. Cooling effect of the high-pressure jet on the temperature distribution is modeled with a convective heat-transfer coefficient. The effect of water jet hole position and pressure is studied. Contour plots showing the distributions of steady-state temperature and stress and the residual stress are presented. The simulation results show a reduction in temperature, the cutting force and residual stresses for water-jet assisted cutting conditions. The mechanical effect of the water jet is found to reduce the contact pressure and shear stress along the tool–chip interface and also the contact zone length for certain water jet hole locations.     

Effects of the nozzle design on the properties of plasma jet and formation of YSZ coatings under low pressure conditions

How to control the quality of the coatings has become a major problem during the plasma spraying. Because nozzle contour has a great influence on the characteristic of the plasma jet, two kinds of plasma torches equipped with a standard cylindrical nozzle and a converging-diverging nozzle are designed for low pressure plasma spraying(LPPS) and very low pressure plasma spraying(VLPPS). Yttria stabilized zirconia(YSZ) coatings are obtained in the reducing pressure environment. The properties of the plasma jet without or with powder injection are analyzed by optical emission spectroscopy, and the electron temperature is calculated based on the ratio of the relative intensity of two ArⅠspectral lines. The results show that some of the YSZ powder can be vaporized in the low pressure enlarged plasma jet, and the long anode nozzle may improve the characteristics of the plasma jet. The coatings deposited by LPPS are mainly composed of the equiaxed grains and while the unmelted powder particles and large scalar pores appear in the coatings made by VLPPS. The long anode nozzle could improve the melting of the powders and deposition efficiency, and enhance the coatings' hardness. At the same time, the long anode nozzle could lead to a decrease in the overspray phenomenon. Through the comparison of the two different size's nozzle, the long anode is much more suitable for making the YSZ coatings.     

合成射流对钝尾缘翼型气动特性的影响

研究吸力面存在合成射流的情况下,钝尾缘翼型TR-4000-2000流场结构的变化及其升阻力系数等气动特性参数的变化趋势。在相同射流入口速度条件下,采用计算流体力学软件Fluent对相同来流速度不同攻角情况下翼型流场进行非定常数值模拟计算,分析射流前后翼型升阻力系数变化及翼型表面压力的波动状况;在此基础上,对不同射流频率和不同射流速度情况下翼型流场进行模拟计算,寻求最佳射流参数。结果表明,由于射流及尾缘涡的相互作用导致翼型的升阻力特性不断变化,钝尾缘翼型吸力面合成射流有明显的增升减阻效果,在15°攻角时尤为明显,升力系数提高约40%,阻力系数减小约25%。在量纲一射流速度和量纲一射流频率均为1时,射流对翼型的增升减阻效果最佳。     

氩气Z箍缩内爆等离子体温度诊断研究

为了诊断Z箍缩等离子体电子温度,研究了氩的双电子伴线与类氦共振线的强度比和等离子体电子温度的关系。利用椭圆弯曲晶体谱仪在“阳”加速器上探测X射线光谱,采用X射线胶片接收信号。谱仪获取了氩的类氦谱线及类锂伴线,计算了伴线k与共振线w的强度比以及伴线j与禁戒谱线z之和与共振线强度比,利用伴线与共振线强度比值和等离子体电子温度的关系诊断出电子温度为960～1060keV,实验结果证明谱线强度比值法是一种探测电子温度很有效的诊断方法。     

磁防垢防腐与节能技术及其机理研究综述

针对磁防垢、除垢、防腐、与节气节油的作用条件和要求,对磁场强度的高低、流体通过磁场切割磁力线的速度大小、流体切割磁力线的次数、磁处理介质的化学成份、碳酸盐垢的特性、流体介质的温度等之间的影响关系和磁防垢、除垢、防腐、节气、节油的机理进行了论述。为推广节能减排磁水处理技术和研究设计节能减排磁水处理产品提供了有价值的参考。