【正文】 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 5 （ 7）沸騰式送粉器：是基于氣固兩相流原理設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，載流氣體在氣體流化區(qū)域直接將粉末吹出送至激光熔池。但同樣要求所送粉末干燥。沸騰式送粉器對(duì)于粉末的流化和吹送都是通過(guò)氣體來(lái)完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末與送粉器元件的機(jī)械摩擦，對(duì)粉末的粒度和形狀有較寬的適用范圍。 目前送粉技術(shù)存在的問(wèn)題 隨著激光技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多種嘗試 ，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出很多類型的送粉器。一般情況下，較大尺寸的粉末 (顆粒直徑 100μm) 流動(dòng)性較好，易于傳送，而顆粒直徑較小的粉末 (顆粒直徑 1μm) 容易聚團(tuán)和粘滯，流動(dòng)性較差，通常傳送這樣尺寸的粉末是非常困難的 [17]，所以，在同步送粉器中，流動(dòng)性差是超細(xì)粉末輸送的難點(diǎn)，由于細(xì)粉末的聚團(tuán)和粘滯，而導(dǎo)致送粉不連續(xù)和送粉量不均勻，得到的熔覆層厚度不均勻、表面質(zhì)量差、嚴(yán)重精密熔覆和微成型的質(zhì)量。比如對(duì)于納米相粉這類超細(xì)粉末在輸送中容易發(fā)生團(tuán)聚，目前的送粉器還沒(méi)有得到很好的解決。所以，對(duì)于超細(xì)粉末的輸送和實(shí)現(xiàn)微沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 6 量輸 送將是以后送粉器研究的重點(diǎn)。并且對(duì)于送粉器綜合化的研究，將更有利于實(shí)現(xiàn)激光熔覆加工成套設(shè)備的集成化和一體化。 流體力學(xué)基本方程 流體在流動(dòng)過(guò)程中遵循機(jī)械運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律 :質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，由此可導(dǎo)出流體力學(xué)最基本的連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程（ NavierStokes 方程）和能量守恒方程。另外對(duì)于不同特點(diǎn)的流體，可以根據(jù)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)（壓力、密度、溫度等）之間的關(guān)系，推出能反映這種關(guān)系的狀態(tài)方程，這種關(guān)系與相應(yīng)的單值條件構(gòu)成了求解未知量的封閉方程組。 質(zhì)量守恒定律 對(duì)固體在空間位置的微元體（如圖 ），質(zhì)量守恒定律可以表述為： [單位時(shí)間內(nèi)微元體中流體質(zhì)量的增加 ]=[同一時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量 ] 由此可得質(zhì)量守恒方程（又稱連續(xù)性方程， continuity equation） : ? ? ? ? ? ? 0t v v wx y z???? ???? ? ? ? ?? ? ? ? （ ） 上式中的后三項(xiàng)是質(zhì)量流密度（通量）（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的流體質(zhì)量） U?的散度。用矢量符號(hào)可寫為： ? ?ρ ρ 0div Ut? ??? （ ） 對(duì)于不可壓縮流體，密度為常數(shù)，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為： ? ? 0div Ut? ?? ??? （ ） 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 7 d y d x d z z x y ρ， p U { u v w } 圖 空間微元體 動(dòng)量守恒定律 對(duì)微元體圖 ，應(yīng)用 Newton 第二定律在流體流動(dòng)中的表述 ： [微元體中流體動(dòng)量的增 加率 ] = [作用在微元體上的合力 ] 并引入 Newton 切應(yīng)力公式及 Stokes 的表達(dá)式，可得三個(gè)速度分量的動(dòng)量方程： u – 動(dòng)量方程： ? ? ? ? ? ? ? ?+2 yv uv v v w v pt x y z yu v v v wdiv U Fx y x y y z z y? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? () v – 動(dòng)量方程： ? ? ? ? ? ? ? ?+2 yv uv v v w v pt x y z yu v v v wdiv U Fx y x y y z z y? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? () w – 動(dòng)量方程： ? ? ? ? ? ? ? ?+2 zw uw v w w w pt x y z yu w w v wdiv U Fx z x z z y z y? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??? ???? () 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 8 其中： η —— 流體的動(dòng)力黏度； ? —— 為流體的第二分子黏度，對(duì)氣體可取 2/3? 。 在數(shù)值傳熱學(xué)中常將上述三式等號(hào)右邊的分子粘性作用項(xiàng)作如下變化（以 u – 動(dòng)量方程為例）： ? ? ? ?2uu v u u wdiv Ux y y x y z z xu u u u vx x y y z z x x y xwdiv U div gradu Sz x x? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ???? ? ? ???? ? ??? () 據(jù)此，將上述動(dòng)量方程寫成以下矢量形式（忽略體積力）： ? ? ? ? ? ? xpSuutu u ???????? g ra ddi vdi v ??? U () ? ? ? ? ? ?d iv d iv g r a d vv pv v Sty? ??? ?? ? ? ???U () ? ? ? ? ? ? zpSwwtw w ???????? g ra ddi vdi v ??? U () 其中： wS S Su ?， ， 為動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)，對(duì)照式 ()可得其表達(dá)式： ? ?u u v wS d i vUx x y x z x x? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () ? ?v u v wS d i vUx y y y z y y? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () ? ?w u v wS d i vUx z y z z z z? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 9 對(duì)于黏度為常數(shù)的不可壓縮流體， Su = Sv = Sw = 0，則式 ()簡(jiǎn)化為： ? ? ? ? xpuutu ??????? ?? 1g ra ddi vdi v U () ? ? ? ? ypvvtv ??????? ?? 1g ra ddi vdi v U () ? ? ? ? zpwwtw ??????? ?? 1g ra ddi vdi v U () 其中：????為流體的運(yùn)動(dòng)黏度 (m2/s)。 式 ()到 ()為 NavierStokes 方程。 能量守恒方程 對(duì)微元體（圖 所示），應(yīng)用能量守恒定律的表述 ： [微元體內(nèi)熱力學(xué)能的增加率 ]= [進(jìn)入微元體的凈熱流量 ] + [體積力與表面力對(duì)微元體做的功 ] 在引入導(dǎo)熱 Fourier 定律，可得用流體比焓 h及溫度 T表示的能量方程： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? hSTpzwhyvhxuht h ????????????????? g ra ddi vdi v ????? U （ ） 其中： λ —— 流體 的導(dǎo)熱系數(shù)； hS —— 流體的內(nèi)熱源； Φ —— 由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，稱為耗散函數(shù)（ dissipation function），其計(jì)算式如下： 2 2 22 2 2Φ 2 + + +u v w u v u w v w div Ux y z y x z x z y?????? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?????（ ） 式 ()中， pdivU 系表面力對(duì)流體微元體所做的功，一般可以忽略；對(duì)理想氣體、液體及固體，可以取 ph cT? ，且 pc 可取為常數(shù)，并把耗散函數(shù) Φ 納入到源項(xiàng) TS （ TS =hS + Φ ），可得： 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 10 ? ? ? ?pT d i v U T d i v g r a d T Stc? ?? ??? ? ? ?????? （ ） 對(duì)不可壓縮流體： ? ? TpTSd i v U T d i v g r a d Ttc ?????? ? ? ?????? （ ） 式 ()， ()， ()， ()及 ()包含 6 個(gè)未知量： u， v， w， p， T， ρ ， 還需要補(bǔ)充一個(gè)聯(lián)系 p， T， ρ 的狀態(tài)方程，方程組才能封閉： ? ?Tpf ,?? （ ） 對(duì)于理想氣體： p RT?? （ ） 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 11 軟件介紹 FLUENT 軟件概述 網(wǎng)格劃分技術(shù) 在使用商用 CFD軟件的工作中，大約有 80%的時(shí)間是花費(fèi)在網(wǎng)格劃分上的，可以說(shuō)網(wǎng)格劃分的能力高低是決定工作效率的主要因素之一。 FLUENT軟件采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分便于處理復(fù)雜外形的網(wǎng)格劃分，而適應(yīng)性網(wǎng)格則便于計(jì)算流場(chǎng)參數(shù)變化劇烈、梯度很大的流動(dòng)，同時(shí)這種劃分方式也便于網(wǎng)絡(luò)的細(xì)化或粗化，使得網(wǎng)格劃分更加靈活、簡(jiǎn)便。 FLUENT劃分網(wǎng)格的途徑有兩種：一種是用 FLUENT提供的專用網(wǎng)格軟件 GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另一種則是由其他的 CAD軟件完成造型工作，再導(dǎo)入 GAMBIT中生成網(wǎng)格。還可以用其他網(wǎng)格生成軟件生成與 FLUENT兼容的網(wǎng)格用于 FLUENT計(jì)算。可以用于造型工作的CAD軟件包括 IDEAS、 Pro/E、 Solidworks、 Solidedge等。除了 GAMBIT之外，可以生成FLUENT網(wǎng)格的網(wǎng)格軟件還有 ICEMCFD、 GridGen等等。 FLUENT可以劃分二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔型網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格，以及由上述網(wǎng)格類型構(gòu)成的混合型網(wǎng)格。 軟件的靈活設(shè)置 FLUENT的內(nèi)核部分是用 C語(yǔ)言寫成的，軟件界面則是用 LISP語(yǔ)言的一個(gè)分支 Scheme語(yǔ)言寫成的。因?yàn)?C 語(yǔ)言在計(jì)算機(jī)的分配使用上非常靈活，所以 FLUENT 也在這方面擁有很大的靈活性，并可以在“客戶 /服務(wù)器”模式下進(jìn)行計(jì)算。而 LISP 類型的語(yǔ)言允許高級(jí)用戶通過(guò)編制自定義函數(shù)改變軟件的外觀，使用戶在使用中可以根據(jù)自己的喜好定沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué) 位論文 12 制界面，這點(diǎn)是 FLUENT 軟件的一個(gè)顯著特色。 軟件的基本構(gòu)成 FLUENT軟件包中包括以下幾個(gè)軟件： （ 1） FLUENT求解器 —— FLUENT軟件 的核心，所有計(jì)算在此完成。 （ 2） prePDF—— FLUENT用 PDF模型計(jì)算燃燒過(guò)程的預(yù)處理軟件。 （ 3） GAMBIT—— FLUENT提供的網(wǎng)格生成軟件。 （ 4） TFRID—— FLUENT用于從表面網(wǎng)格生成空間網(wǎng)格的軟件。 （ 5）過(guò)濾器 —— 或者叫翻譯器，可以將其他 CAD/CAE軟件生成的網(wǎng)格文件變成能被FLUENT識(shí)別的網(wǎng)格文件。 上