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22髙焓圆锥喷管流动中，颗粒加速参数在涂层应用中的研究摘要改进的气动冷喷技术是在激波风洞技术下发展的，可通过将固体颗粒速度高达1500米/秒来提高涂层质量。粒径通常达10μM. 用基于气固两相流的理论模型来描述流体和固体颗粒的运动。这个准稳定一维模型可以考虑由高的储室温度引起的气体相的非平衡影响，和壁面的摩擦和平均传热的影响在喷嘴截面上。该模型用于喷嘴的几何形状的设计和优化通过参数研究，使得锥形喷嘴半开角度为2.8?，长325 mm。颗粒涂层注入在大约喉部下游55mm处。激波风洞设施设立在激波实验室中，用来进行这项新技术的实验研究。此装置的理论性能是由KASIMIR仿真软件和本文中所描述的准一维的方法来进行验证的。为了获得1500米/ s的粒子速度，高的储室条件可以通过用一个非常高的驱动压力约600bar的空气作为驱动气体来实现，或用较低的氦气作为驱动气体压力约200bar的驱动气体来实现。关键词：激波风洞，气体-颗粒流动，气动冷喷引言对于的现有涂层技术，如等离子喷涂，储室温度达7000～20000K和压力为1bar，产生一个典型的约200–300m/s的粒子速度。对于新的气动冷喷（CGDS）技术，储室温度约为300～1000K，储室压力约5至100bar，产生典型的粒子速度为600~1000米/秒。CGDS过程基本上使用存储在高压可压缩气体中的能量来加速微小颗粒到很大的速度 [ 1 ]。压缩气体经加热单元到储室，储室里的气体通过一个特殊设计的喷嘴（拉瓦尔型为主）以非常高的速度喷出。粉末材料引入高速气体射流中，并且加速到一定的速度，同时适度加热。当与底板碰撞时，粉末颗粒形变，并且粘结成一个良好的粘附涂层。相比于热喷涂工艺如电弧，火焰，等离子喷涂工艺，这一过程几乎没有氧化喷涂材料，这大大提高了涂层的质量。用纯氮作为新的涂层设备的激波管，可以完全避免氧化的影响。相对较低的工艺温度使冷却中有低的收缩率，保留涂料和气体相的原始化学性质。根据冷喷焊的一般理论，高速度的固体颗粒首先受到塑性变形，然后破坏（氧化物）存在的表面薄膜，并最终在目标表面上形成一个覆盖层在碰撞中[ 2 ]。因此，动能必须足够使固体材料塑性变形，并破坏目标表面的膜，这意味着粒子速度应超过最小的决定物质的临界速度达到沉积。通常，镀层的质量随粒子速度增长。这意味着值得进一步增加颗粒碰撞的速度，来增强气动冷喷的质量，并延伸的气动冷喷的应用范围。但根据粒子的材料和温度，粒子速度不超过某一上限，因为在这种情况下会发生腐蚀[ 3 ]。我们的目的是获得粒子冲击速度到1500米/秒，这超出了目前现有的涂层技术的限制。这将通过利用激波风洞原理来产生高速喷管流动，喷管中注入颗粒。该技术使得比传统的涂层技术有更高的粒子的速度，而代价是对于颗粒实际应用必须要进行间歇操作。所需的停滞条件为储室温度T0约2000K和储室压力p0大于100bar。对于如此高的储室温度，非平衡效应开始变得重要。这尤其适用于更高的总温度和随之粒子的速度，这是之后想得到的。尽管用一些二维或三维方法来研究喷管的气体粒子流[?4–6?]，一维的方法广泛用于喷嘴的设计和实验结果的分析，这是因为它的简单性和有效性。一个非常详细的分析已经被Dykhuizen和史密斯[ 7 ]利用等熵进行，对气动冷喷喷管的一维气体流动模型。他们考虑了不同载体气体的影响，入口气体温度和喷嘴的形状对粒子速度的影响。Grujicic等人【2】扩展了dykhuizen和史密斯[ 7 ] 的模型，考虑了有限粒子的速度和可变的气体/颗粒的阻力系数。用这种方法得到了一个喷管的最优形状。然而，这些模型假设为负载气体为量热完全气体并且流动等熵，因此模型不适合高焓喷管流动。在此呈现的数值方法用来模拟圆锥喷管中的反应气体颗粒的流动。在本次研究中选择的圆锥形喷管便于制造，而且与其长于有一定的适应性。由于储室温度很高，颗粒必须注入喷嘴喉部下游以保持低的、适应于颗粒的温度，因此，为了保持气动冷喷的优点，就意味着锥形喷管应该足够长，使颗粒有足够的加速距离来达到高的速度。因此，喷管壁的摩擦和传热的影响是不可忽略的，这也需要考虑到数值模型中。物理模型2.1相互反应的气体颗粒流动的控制方程为了得到对携带浓缩颗粒的气体流动的简单模型，做了以下的假设：流动定常，且为准一维没有外力，忽略重力的影响颗粒在气体中产生体力（阻力），向气体传热，反之亦然颗粒所占体积忽略，且是分散的，相互之间不作用颗粒有均匀的内部温度，不可压缩的，都是球形用一种典型的方式考虑了热传导和喷管表面的摩擦。相应的，摩擦力和热传导项分别包括在冲量和能量方程中。这种方法中，壁面摩擦力和热传导影响了流动参数，在整个截面上用平均方法。对气体颗粒混合气体中的膨胀反应流动得到质量，动量，能量守恒方程，在拉瓦尔喷管中[8]。对于气体