超音速等离子喷涂的射流特性

张勇，张雄，郑杰，高琳，林光文，武瑞霞



超音速等离子喷涂的射流特性

张勇1，张雄1，郑杰1，高琳1，林光文2，武瑞霞2

(1. 西安石油大学机械工程学院，西安 710000；2. 中原油田天然气处理厂，濮阳 457061)

采用非局域热力学平衡条件，考虑等离子喷涂过程中的电离及复合反应，研究超音速等离子喷涂过程中的流场特性。结果表明，氩氢混合气体中氢气的体积分数为15%时，喷枪内部的最大速度达到3 200 m/s，最高温度达到18 000 K。采用氩氢混合气体比纯氩情况下的速度和温度都有所提高。等离子体的最大速度随电流增大而增大，最高温度在470 A出现拐点，当电流大于470 A时，气流温度开始升高。加入粉末后，气流速度增大。流场速度随载气量增大而减小。氩氢混合气体中氢气的最佳含量为体积分数15%。

超音速；等离子喷涂；射流特性；非局域热力学平衡；氩氢混合气体

超音速等离子喷涂过程中的速度场和温度场特性直接影响最终的涂层质量[1−3]。因此研究超音速等离子喷涂过程中的流场特性具有重要意义[4]。目前从研究方法上讲，仅通过实验的方法很难直观获取喷枪内外部速度场和温度场的分布情况及规律。而数值模拟可以弥补实验方法的不足，因此采用数值计算方法分析超音速等离子喷涂过程中的物理现象很有必要[5−7]。MARIAUC等[8]采用瞬态模型分析等离子喷涂过程，考虑了喷枪内部电能到热能的能量传输，但该模型基于的是局域热力学平衡假设。TAHARA等[9]将电子温度和重粒子温度分开考虑，对等离子喷涂过程进行了分析。TOKAR等[10]研究了用于材料熔化处理过程的等离子体射流，分析了层流氩等离子体射流碰撞到工作平板整个过程中的传热与流动问题。SRINIVASAN 等[11]对外界气体对层流氩等离子体射流碰撞基体过程的影响进行了模拟分析。VARDELLE等[12]则借助ESTET程序对等离子喷涂过程进行了数值模拟。VAIDYA等[13]通过数值计算研究了送粉载气对等离子体射流的影响。但这些研究并没有在对等离子喷涂多物理场耦合特性分析的基础上进行，基于的是局域热力学平衡假设，且忽略等离子喷涂过程中的电离及复合反应。目前关于超音速喷涂的模拟计算多集中在对低压环境下等离子喷涂过程的研究，对超音速等离子喷枪内外结合的三维瞬态计算没有报道。本文作者在等离子喷涂多物理场耦合的基础上，建立超音速等离子体射流的内外流场计算模型，考虑等离子喷涂过程中的电离及复合反应，采用非局域热力学平衡条件，研究超音速等离子喷涂过程中的温度场及速度场特性。研究结果有助于探明工艺参数对超音速等离子喷涂过程流场内温度场和速度场的影响规律，对超音速等离子喷涂的最佳工艺配置有借鉴意义。

1 模拟计算

1.1 计算模型

1) 连续性方程(质量守恒方程)[14]：

2) 组分连续性方程[15]：

3) 动量方程[16]：

4) 能量方程[17]：

式中：表示湍动能，m2/s2；为湍流耗散率，m2/s3；为湍动粘度，Pa·s；G为由于平均速度梯度的湍动能产生项，kg/(s2·m)。

1.2 参数设置

超音速等离子喷涂喷枪的计算模型如图1所示。计算模型被划分成阴极固体、阳极固体、主气流道、送粉气流道和出口大气这几个计算域，在条件设置时区别固体区域和流体区域。整个模型采用结构化网格，共包括724 450个计算节点、612 032个计算单元。在径向方向，阳极固体的网格在靠近主气流体区域和主气流体网格靠近阴极固体表面处都进行适当的加密处理。另外，为了保证流体部分的计算精度，流体计算域的网格密度大于固体区域，喷枪内部流道的网格密度大于喷枪外部。表1所列为超音速等离子喷涂的模型参数。

图1 超音速等离子喷涂计算模型

表1 超音速等离子喷涂的模型参数

基于实际喷涂过程中所用到的等离子喷涂参数，本文计算中所用的边界条件设置如表2所列。

表2 超音速等离子喷涂边界条件设置

2 计算结果与分析

2.1 速度和温度分布

图2所示为纯氩和氩氢混合(氢气体积比15%)情况下超音速等离子喷涂时喷枪内外的气流速度和温度分布。从图2可看出，在采用氩氢混合气体进行超音速等离子喷涂的情况下，喷枪内部的速度最大值达到3 200 m/s，最高温度达到18 000 K。氩氢混合比纯氩情况下的速度和温度都有所提高。

喷枪出口截面气流的速度和温度分布如图3所示(纯氩情况下)。从图3可看出，喷枪出口截面气流的速度和温度都呈现中心高、周围低的分布。由于送粉气流的作用，中心最大温度和速度都向外偏离喷枪中心。

2.2 不同工艺参数下的流场特性

工作电流和载气流量对超音速等离子喷涂的射流速度分布和温度分布有较大影响。图4所示为工作电流分别为400，500和600 A条件下喷枪内的气流速度和温度分布。

从图4可看出，随工作电流增大，喷枪内部的气流速度增大，同时喷枪内部的气流速度梯度也增大。这是由于增大电流使喷枪内的电流密度增大，产生的热量增多，从而加大气体膨胀程度，引起射流速度增大。喷枪内部气流温度随工作电流增大而升高，但当电流由400增大到500 A时，温度增大不太明显。这是因为随电流增大，喷枪内部虽然产生的焦耳热量增多，但射流速度同时增大，射流会带走热量，消弱温度增长的态势。

图2 纯氩和氩氢混合情况下等离子体射流特性

(a) Velocity distribution in Ar case; (b) Velocity distribution in Ar-H2gas mixture case; (c) Temperature distribution in Ar case; (d) Temperature distribution in Ar-H2gas mixture case

图3 喷枪出口截面的速度和温度分布

(a) Velocity distribution; (b) Temperature distribution

图4 不同工作电流下喷枪内等离子体的速度和温度分布

(a) Velocity distribution; (b) Temperature distribution

为了便于研究电流对等离子体的最高温度和最大速度的影响，取电流在450~750 A范围内逐渐递增50 A，研究等离子体内最高温度和最大速度的变化，结果如图5所示。可见总体的变化规律为随电流增大，等离子体的最大速度增大，最高温度在470 A出现拐点，当工作电流大于470 A时，增加电流产生的热量大于高速射流所带走的热量，气流温度开始升高。所以本文推荐的电流在650~750 A之间，电流过大会烧坏喷嘴。

图6所示为粉末对超音速等离子喷涂的气流速度的影响。载气流量为5 L/min。由图6可看出，当无粉末加入的情况下，流场中的最大速度为1 769 m/ s，而加入粉末后，流场的最大速度达到1 834 m/s。这是由于加入粉末后，加大了气体的压缩效应，从而增大气流的速度。

图7所示为载气流量对流场速度的影响。载气流量分别为5，10和15 L/min。从图7可看出，随载气量增大，流场的速度减小。这是由于当载气流量为5 L/min时，颗粒分布在流场中心，加大压缩效应，导致气流速度较大。随载气流量增大，颗粒穿过流场，带走多余热量，温度梯度降低，从而降低流场速度。

图5 电流对等离子体最大速度(a)和最高温度(b)的影响

(a) and maximum temperature (b)

图6 粉末对流场速度的影响

(a) Without powder; (b) With powder

工作气体(氩氢混合气体)中氢气的含量对速度也产生重要影响。图8和图9所示为氩氢混合气体中氢气体积分数为10%、15%和25%时的流场速度和温度。从图中可看出，随氢气含量增加，等离子体射流的速度和温度都是先增大后减小，这是因为随氢气增加，气流的热焓增大，气体的电导率和热导率也增大，从而增加气流内部的热量交换，导致射流温度和速度增加，射流速度增加又会带走部分热量，所以气流的速度和温度变化是在二者共同作用下引起的。氢气的体积分数为15%时，流场的温度和速度最大，所以推荐氢气含量为15%。

图7 载气流量对流场速度的影响

(a) 5 L/min; (b) 10 L/min; (c) 15 L/min

图8 氩氢混合气体中氢气含量对流场速度的影响

(a) 10%; (b) 15%; (c) 25%

图9 氢气含量(体积分数)对流场温度的影响

(a) 10%; (b) 15%; (c) 25%

3 结论

1) 以氩氢混合气体作为工作气体进行超音速等离子喷涂，氢气的体积分数为15%时，喷枪内部的最大速度达到3 200 m/s，最高温度达到18 000 K。氩氢混合气体比纯氩情况下的最大速度和最高温度都有所提高。氩氢气体中氢气的最佳含量(体积分数)为15%。

2) 随工作电流增大，等离子体的最大速度增大，最高温度在470 A出现拐点，当工作电流大于470 A时，气流温度开始升高，因此推荐电流在650~750 A之间。

3) 加入粉末后，气流速度增大。

4) 随载气量增加，流场速度减小。

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(编辑 汤金芝)

Jet characteristic of supersonic plasma spraying

ZHANG Yong1, ZHANG Xiong1, ZHENG Jie1, GAO Lin1, LIN Guangwen2, WU Ruixia2

(1. College of Mechanical Engineering, Xi’an Petroleum University, Xi’an 710000, China; 2. Zhongyuan Oilfield Gas Treatment Plant, Puyang 457061, China)

The jet characteristics in the supersonic plasma spraying process were investigated based on the non-local thermodynamic equilibrium conditions and considering the ionization and composite reactions during plasma spraying. Theresults show that the maximum velocity of 3 200 m/s and the maximum temperature of 18 000 K are obtained when H2volume fraction in the Ar-H2gas is 15%. Both temperature and velocity of the flow in Ar-H2gas mixture are higher than that of in pure Ar gas. The maximum velocity of the plasma increases with increasing the current. The maximum temperature of the plasma appears at 470 A. The temperature of the gas flow increases when the current is higher than 470 A. The flow velocity increases after adding powder. The velocity of the flow field decreases with increasing the carrier gas. The optimum volume fraction of H2in Ar-H2gas mixture is 15%.

supersonic; plasma spraying; jet characteristic; non-local thermodynamic equilibrium; Ar-H2gas mixture

2017−07−04；

2017−09−11

张勇，讲师，博士。电话：18729044931；E-mail: zyszbd@163.com

O359；TG174.44

A

1673-0224(2017)06-713-06