Регистрация / Вход
Прислать материал

Численное моделирование динамики частиц порошка и газа в соплах для лазерной наплавки

Сведения об участнике
ФИО
Старшова Ирина Ивановна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Композитные материалы
Тема
Численное моделирование динамики частиц порошка и газа в соплах для лазерной наплавки
Резюме
В данной работе выполнено численное моделирование газовой динамики, нагрева и динамики дискретной порошковой фазы в латеральных соплах для лазерной наплавки (латеральное сопло) и в сверхзвуковом сопле с профилем де Лаваля для создания металлических покрытий. Численная модель базируется на программном пакете Ansys Fluent.
Рассматриваемые численные модели учитывают точную внутреннюю и внешнюю сопел, газовую динамику и эффекты теплопередачи между газом и частицами порошка. В модели сверхзвукового сопла учтен турбулентный режим течения газа в виде k-e-модели. Для моделирования ударных волн в сверхзвуковом потоке, применяется адаптивное дробление сетки.
Ключевые слова
Газовая динамика, дискретная порошковая фаза, латеральное сопло, лазерная наплавка, сопло де Лаваля, сверхзвуковое сопло
Цели и задачи
Исследование динамики газовых потоков и частиц порошка в различных соплах для лазерной наплавки путем численного моделирования.
Задачи:
- построение 3D-сетки, учитывающую исследуемых объектов
- моделирование газовой динамики на основе решения системы уравнений Навье-Стокса
- моделирование динамики дискретной фазы (металлический порошок)
Введение

В современном производстве методами лазерных аддитивных технологий широко используются газодинамические сопла для транспортировки порошка наплавляемого материала к обрабатываемой поверхности или подложке. На эффективность полученного покрытия, а также на физико-механические свойства полученного изделия влияет не только тип используемого порошка, его элементный состав и форма гранул, но также газовая динамика, поскольку газовая струя является основным способом доставки порошка к поверхности изделия. В работе выполнено численное моделирование газовой динамики и порошковой фазы в латеральных и сверхзвуковых соплах.

Методы и материалы

Для дискретизации расчетной области сгенерирована объемная вычислительная сетка, состоящая из 1 млн. гибридных ячеек: тетраэдрических и гексагональных с преобладанием последних. Детально смоделировано внутреннее строение головки сверхзвукового напыления, включая каналы системы подачи защитного и несущего газов. Частицы вводятся по центральному каналу.

Для моделирования газовой динамики рассматривается течение вязкого сжимаемого газа. Решается система уравнений Навье-Стокса. После дискретизации решение реализуется методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS FLUENT. Для интегрирования дифференциальных уравнений движения используется полунеявная одношаговая схема Эверхарта 15-го, предотвращающая  накопление невязок с уменьшением сетки. Задача дополнена учетом турбулентности в виде стандартной k-ε-модели, а также LES-модели, учитывающих массовую плотность турбулентной энергии, а также ее скорость диссипации  виде нелинейных уравнений диффузии. Это модель первого уровня замыкания. Учитывается гравитационная и сдвиговая турбулентность. 

Для описания поведения инжектированных в газовый поток частиц используется траекторный подход, в котором уравнения движения в лагранжевой формулировке интегрируются вдоль линий потока газа, которые были получены на первом этапе, как результат решения уравнений Навье-Стокса.

 

Описание и обсуждение результатов

В данной работе выполнено численное моделирование газовой динамики, нагрева и динамики дискретной порошковой фазы в латеральных соплах для лазерной наплавки (латеральное сопло) и в сверхзвуковом сопле с профилем де Лаваля для создания металлических покрытий. Рассматриваемые численные модели учитывают точную внутреннюю и внешнюю геометрию сопел, газовую динамику и эффекты теплопередачи между газом и частицами порошка. В модели сверхзвукового сопла учтен турбулентный режим течения газа в виде k-e-модели и LES-модели. Для моделирования ударных волн в сверхзвуковом потоке, применяется адаптивное дробление сетки.

В латеральном сопле отношение скорости газа к скорости частиц равно 1,6 а в сверхзвуковом: 1,05. С увеличением скорости газа отношение уменьшается, вплоть до 1. Это связано с тем, что инерция частиц в сверхзвуковом потоке приводит к «пробиванию» частицами окружающей атмосферы: чем выше скорость потока, тем ближе скорость частиц к скорости газа.

В латеральном сопле длина ламинарной части струи определяется двумя факторами: скоростью поступления газа в сопло и скоростью его сброса через колпачок циклона. Для расхода газов 4 и 6 л/мин, оптимальным является колпачок с диаметром 1 мм: длина ламинарной струи при данном диаметре колпачка максимальна. Эти параметры определяют оптимальный режим напыления порошка на обрабатываемую поверхность металла.

Средняя длина струи газа в сверхзвуковом сопле (определяемая по изолиниям скорости) убывает с температурой по квадратичному закону вследствие повышения вязкости нагретого газа по сравнению с холодным. При этом, скорость газа на выходе из трубки на порядок ниже скорости внутри сопла вследствие расширения истекающего из сопла потока газа и его торможения при взаимодействии с окружающей атмосферой.

Угол рассеивания частиц на выходе из сопла де Лаваля возрастает в зависимости от точки инжектирования. Скорость газа уменьшается в зависимости от отдаления от горла сопла: чем дальше от сужения (горлышка) сопла, тем меньше скорость газа, и меньше начальная кинетическая энергия частиц. Это приводит к дестабилизации струи частиц порошка: скорость становится ниже, влияние завихрений газа на частицы – выше, а струя частиц расширяется. Эффект носит негативный характер, поскольку приводит к хаотичному неоднородному режиму нанесения порошка на обрабатываемую поверхность. При этом, пучок существенно дефокусируется.

Используемые источники
1. FLUENT User's Guide. Fluent Inc., - 2010
2. Erlebacher, G. Toward the Large-Eddy Simulation of Compressible Turbulent Flows / Hussaini M. Y., Speziale C. G., Zang T. A.// J. Fluid Mech. — 1992. — p.155-185.
3. Lester, S. New systems for laser Cladding / S. Lester, N. Longfield, J. Griffiths, J. Cocker, C. Staudenmaier, G. Broadhead // Laser surface modification in steel industry, — 2013. Vol. 10.—P. 41-43.
4. Шпилёв А.И. Визуализация газовых потоков в головках для лазерной порошковой наплавки / Шпилёв А.И., Гилязов М.Р., Нагулин К.Ю., Дубенская М.А.*, Гильмутдинов А.Х. // В сборнике статей МНПК «Авиакосмические технологии, современные материалы и оборудование». Казань. — 2014. — Т. 3. — С. 54-57.
Information about the project
Surname Name
Seraeva Nailya Ragabovna and Starshova Irina Ivanovna
Project title
Numerical modeling of the powder particles and gas nozzles for laser welding
Summary of the project
In this work calculated the numerical simulation of gas dynamics, heat and dynamics of discrete powder phase in the lateral nozzles for laser cladding (lateral nozzle) and a supersonic nozzle with profile de Laval to create metal coatings. The numerical model is based on Ansys Fluent software package.
Numerical models allow for precise inner and outer nozzles, gas dynamics and heat transfer effects between the gas and powder particles. The model considered the supersonic nozzle the gas turbulent flow regime in the form of k-e-model. For the simulation of shock waves in supersonic flow, applies adaptive splitting grid.
Keywords
Gas dynamics, discrete powder phase, lateral jet, laser welding nozzle de Laval, a supersonic nozzle