黏性边界层网格自动生成

高雷诺数黏性流动在壁面附近存在边界层,在计算模拟中自动生成可靠且有效的计算网格仍然是计算流体力学存在的瓶颈.三棱柱/四面体混合网格技术在一定程度上缓解了这个困难.然而,对于复杂外形的情况,在边界层内自动高效生成高质量的三棱柱单元仍然十分困难.常用的层推进法在凹凸区域及角点处生成的边界层网格单元质量较差,边界层网格最外层尺寸不均匀.针对这些问题,发展了一种黏性边界层网格自动生成方法,通过顶点周围边的二面角识别物面网格特征确定多生长方向,预估并调整生长高度处理相交情况.同时提出一种三维前沿尺寸调节方式,提高了边界层网格单元的正交性,保证了边界层网格与远场网格尺寸的光滑过渡.通过ONERA M6翼型以及带发动机短舱的DLR-F6翼身组合体等外形的网格生成实例及绕流数值模拟,将计算值与标准实验值进行对比,结果表明:该方法能够自动高效地生成满足数值计算需求的混合网格.     

用逐点插入法生成Delaunay四面体自适应网格

介绍一种基于Delaunay算法的四面体自适应网格的自动划分方法。该方法用单元尺度场控制生成网格的疏密分布,在不满足尺度场要求的单元面形心处插入新节点,同时计算新节点单元尺寸参数,实现三维实体的Delaunay四面体自动划分。此方法具有几个特点:一是表面网格与体内网格同步划分,无需区分两者;二是结点与单元同时生成;三是生成网格自适应性好,疏密分布任意。另外,还介绍了三维网格划分中两个相关算法:一个是约束面恢复算法,该算法基于约束面不允许有单元边与之相交的性质而提出的;另一个是将二维射线法推广至三维空间,判断一个点是否在一多面体内,实现了凹多面体的划分。最后通过算例对单元质量进行了评价。本文所述方法是一种有效的四面体自适应单元生成算法。     

网格自适应技术在复杂外形流场模拟中的应用

建立了一套适用于非结构混合网格自适应方法,针对激波和涡的不同特征采用不同加密探测器,各向异性加密棱柱单元并沿物面法向方向剖分所有棱柱层,各向异性剖分四面体单元,并保证四面体与棱柱交界面上网格协调。构造Hermit插值近似投影物面新加网格点和基于Laplacian光滑方法对空间网格进行优化。通过网格自适应加密,使用Roe格式计算高超声速球头绕流的红玉现象得到明显减轻。F16飞机含激波和脱体涡的流场自适应计算表明,网格加密集中在激波面和涡核附近区域,激波和涡计算更准确。     

用混合网格求解三维可压雷诺平均Navier—Stokes方程

用混合网格求解了三维紊流 N-S方程。在物面附近采用三棱柱网格 ,其它区域则采用四面体网格。方程的求解采用 Jamson的有限体积法 ,紊流模型采用两层 Baldwin-Lomax代数紊流模型。数值算例表明 ,用混合网格求解三维紊流 Navier-Stokes是非常有效的。     

基于转换模板的三维实体全六面体网格生成方法

以四面体一六面体基本转换模板为基础,提出一系列具有伸缩性的扩展转换模板．可根据需要选择不同模板及其组合,将四面体分解为不同数量、不同密度过渡形式的六面体单元。这样,初始四面体网格不需要划分得很细,生成的六面体单元数量也可以通过采用不同规格的扩展转换模板而得到控制。提出了基于CAD几何造型的边界节点坐标修正方法．从而使边界网格更好地拟合几何模型边界。     

热障涂层弹性模量和残余应力测试研究

采用数字图像相关法实验研究了热喷涂制作的热障涂层的弹性模量和残余应力。首先,采用三点弯测试方法对热障涂层试件进行加载,并利用二维数字图像相关方法对热障涂层试件加装过程中的弯曲变形进行了精确的测量,进而获得了热障涂层在受拉和受压两种状态下的弹性模量,结果表明,受拉时热障涂层试件陶瓷层的弹性模量为31GPa,而受压时其弹性模量为34GPa。其次,基于内力平衡,推导了考虑曲率变化的涂层残余应力计算公式;利用三维数字图像相关法测量了喷涂前后基体曲率的变化,进而获得了涂层残余应力的大小,结果表明,热喷涂后的热障涂层残余应力为压应力,大小为-86^-70MPa。     

线爆炸法制备WC-Co硬质合金涂层的实验研究

描述了线爆炸喷涂的基本原理。利用自行研制的线爆炸装置,分别在真空和大气环境下进行了高速喷涂WC Co硬质合金涂层的实验,得到了亚微米的超细晶涂层,涂层的最高硬度达Hv=2190,为原始材料硬度的1.4倍;在涂层与基体结合面处发现了不同于涂层和基体组织的过渡层;对涂层的显微硬度、金相组织和结合强度进行了检测和分析。     

采用两种喷涂技术制备铁基合金涂层的摩擦磨损特性研究

利用超音速火焰喷涂(HVOF)技术和等离子喷涂(ASP)技术,分别在0Cr13Ni5Mo不锈钢基体上制备了铁基非晶合金涂层和铁基非晶纳米晶涂层,研究了2种涂层在室温下的摩擦磨损特性,并探讨其磨损机理.结果表明,2种热喷涂涂层中以等离子喷涂工艺制备的铁基非晶纳米晶涂层的耐磨性较好,其主要原因是等离子喷涂涂层具有高硬度的同时在涂层中弥散分布着纳米晶颗粒,两者共同增强了涂层的耐磨性能.采用等离子喷涂技术制备的涂层的磨损机制主要为磨粒磨损,而超音速火焰喷涂技术制备的涂层的磨损机理为粘着磨损和疲劳磨损的综合作用,其中以疲劳磨损为主.     

三维自适应FE-SPH耦合算法在多层间隔金属靶侵彻问题中的应用

鉴于有限元算法不能有效地模拟侵彻过程所产生的金属碎片, 本文中基于三维自适应FE-SPH耦合算法的基本理论, 自主开发了模拟多层间隔金属靶侵彻问题的三维FE-SPH耦合计算程序。该程序采用四面体单元对多层间隔金属靶侵彻模型进行初始离散, 计算过程中, 当四面体单元等效塑性应变超过某一设定值时, 单元自动转化为SPH粒子, 并引入有限单元-粒子接触算法和耦合算法, 实现大变形和破碎区域采用SPH方法计算, 克服有限元法单元畸变存在的问题。多层间隔靶侵彻算例分析表明, 三维FE-SPH耦合计算程序采用等效塑性应变作为转化判据计算结果较稳定, 并且能够有效地再现侵彻过程中所产生的碎片, 能够模拟侵彻碎片对后层靶的毁伤效应。     

电爆炸高速喷涂新技术研究

利用电爆炸方法 ,研制了高速喷涂金属涂层的装置。提出了脉冲加热电流的简化计算公式 ,并将理论值和实测结果进行了比较。以 1Cr18Ni9Ti钢为喷涂原料进行了高速喷涂实验。实验表明 ,涂层的平均晶粒直径小于 10 m。当电容器初始电压高于某一值时 ,涂层与基体结合面处形成了比涂层晶粒尺寸更为细小的过渡层。涂层的硬度值与喷涂前的原始硬度值相比显著提高。     

Influence of cycle time distribution on coating uniformity of particles in a spray fluidized bed by using CFD-DEM simulations

Cycle Time Distribution (CTD) plays a critical role for determining uniformity of particle coating in spray fluidized beds. However, the CTD is influenced by both geometrical structure and operating conditions of fluidized bed. In this study, a spray fluidized bed of coating process is simulated by a comprehensive Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Model (CFD-DEM). To achieve different behaviors of CTD, some modifications are designed on a pseudo-2D internally circulating fluidized bed, which traditionally composes of a high-velocity upward bed and low-velocity downward bed. These modifications include making the air distributor slope and/or laying a baffle in the downward bed. First, the CTD and evolution of particle size distribution under different bed structures are compared. The CTD directly influences the coating uniformity. By making the particles flowing along a parallel direction in the downward bed through the geometrical modifications, the CTD becomes narrower and the coating uniformity is significantly improved. Second, under the optimized bed structure, the influence of operating conditions on the coating uniformity is studied. Properly increasing the fluidization gas velocity and the fluidization gas temperature and reducing the liquid spray rate can improve the coating uniformity.     

等离子喷涂Al2O3/TiO2纳米复合涂层的制备、结构及摩擦学性能

采用喷雾干燥法对溶胶-凝胶法合成的系列A l2O3/TiO2纳米复合粉体进行造粒,使用等离子喷涂技术制备系列A l2O3/TiO2纳米复合涂层.对涂层结构和形貌分析表明所制备的A l2O3/TiO2纳米复合涂层形成了具有熔融区和半熔融区的双区形态的纳米复合结构.使用UMT-2MT试验机研究了复合涂层的摩擦磨损性能,结果表明复合涂层的磨损率随TiO2含量的增加表现出先降低而后增大的趋势,TiO2质量百分数为10%的纳米复合涂层的磨损率最低;而涂层的摩擦系数随TiO2含量的增加变化不大.复合涂层的磨损机制为裂纹扩展导致的磨损剥落.     

M80S20喷涂层,喷熔层及激光涂敷层的显微组织和耐磨性之研究

本文采用(Fe,Cr,Ni,W,Mo)_(80)(B,Si,C)_(20)铁基非晶自熔合金粉末对20钢材进行了热喷涂、喷熔和激光涂敷等表面处理,研究了这3种涂层的显微组织、成分及硬度分布和耐磨性。作者指出,喷涂层由于层内有一定数量高硬度的合金非晶质点存在,其耐磨性是钢基体的4.9倍;喷熔层内合金晶化产生的晶粒细小,合金元素能起固溶强化作用,也能生成化合物产生弥散硬化作用,故此耐磨性是钢基体的6.3倍;激光涂敷层除所含合金元素产生的固溶强化和弥散硬化作用外,表层组织为高硬度的枝晶+共晶和马氏体,故其耐磨性是钢基体的8.8倍。     

热障涂层高温失效行为的正射投影-单相机三维数字图像相关实验研究

热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)作为一种隔热材料,可降低发动机高温部件的表面温度,提高涡轮发动机的整体性能。涂层服役过程中,TBC陶瓷层的失效将导致高温部件中的金属基底直接暴露于恶劣的高温环境中,严重影响发动机的安全性。其高温服役环境下的力学性能研究是备受材料和力学工作者关注的问题。本文结合热障涂层高温检测的需求,实现了涂层-基底异质表面的高对比度高温散斑制作;发展了正射投影-单相机三维数字图像相关方法(正射投影-单相机3DDIC),构建了跨界面形函数,实现了涂层与基底的三维形貌及位移、应变的同时测量;基于涂层结构的高温拉伸实验结果,建立了依据涂层-基底应变方差差值的涂层失效判断方法,得到了热障涂层在室温(27℃)至1000℃的断裂极限应变。实验结果表明,正射投影-单相机3DDIC方法作为一种可靠测试方法,可以应用于涂层结构高温下的力学失效行为研究。     

Kinetics of ultrafine coating of SiO2 nanoparticles, suspended in non-thermal CH4/C2H6 plasma

Capacitively coupled RF discharges in methane and ethane (1000–3000 Pa, 5–15 W/cm³) were used for the in-flight coating of SiO₂ nanopowders (NP) with an a-C:H layer [A. Kouprine, F. Gitzhofer, M. Boulos, A. Fridman, Polymer-like C:H thin film coating of nanopowders in capacitively coupled RF discharge, Plasma Chemistry and Plasma Processing 24 (2) (2004) 189–215]. In this present work a model of the chemical kinetics of this plasma processing has been developed, based on the GRI-Mech 3.0 mechanism [G.P. Smith, D.M. Golden, M. Frenklach, Gas Research Institute, Detailed chemical reaction mechanism. Available from: ], and calculations are performed, using the Chemkin-II code. The model includes the formation of two solid phases: an amorphous C:H coating, deposited on the suspended NP, and soot, incepted in the gas phase. Non-equilibrium plasma effects are taken into account by the rates of radical species’ production, using the reference data on the “G-value”. The CH₃ and H species appear to have key roles in surface activation and the nanofilm growth. The results demonstrate the competitive character of the formation of the two solid phases: the C:H coating is dominant under T_gas < 1400–1600 K, depending on the conditions, and soot commencing to dominate at higher temperatures. This division corresponds to the passage from non-thermal plasma conditions, with the dominance of single-valent radicals and solid phase growth on the substrate only, to the plasma thermalisation with the formation of two-valent radicals and v. inception of the solid phase. The results are validated experimentally by the observation of soot formation as a function of the gas temperature, by the mass spectrograph data on the gas composition after plasma reforming, and by the reference data on coating growth rates and induction times for soot formation.     

汽油云雾中不同氧气、氮气含量对爆轰温度的影响

本文描述了一种利用多通道高温计测量汽油云雾爆轰瞬态温度的方法,这种方法既适合云雾爆轰辐射充满光纤接收角,又适用辐射部分进入光纤接收角,我们在激波管内,以光纤传输光能,用多通道高温计测量了汽油云雾中氧气、氮气对爆轰温度的影响。研究表明:对于富含汽油的混合物,增加氧含量可使爆轰温度增加;增加氮含量可导致爆轰温度下降,它和利用传感器测量结果吻合。     

Nano-Ni粉体对Fe/WC涂层组织和性能的影响

在Fe/WC喷涂材料中添加不同量的Nano-Ni粉体,采用亚音速火焰喷涂技术在Q235基体上制备涂层,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪等设备进行显微组织、表面形貌观察及物相分析,利用MM-W1磨损试验机和HXD-1000TM型显微硬度仪对涂层的性能进行测试.结果表明:Nano-Ni粉体可以细化涂层组织,提高涂层的致密性,随着Nano-Ni粉体添加量的增大,相应的力学性能均得到提高,在涂层形成过程中Nano-Ni粉体与喷涂材料中的其他成分形成了一些新相,如Fe-Ni固溶体和CeNi3,这些新相为改善涂层组织和提高涂层的力学性能起到积极作用.     

稀土元素对镍基喷焊合金层摩擦表面形成氧化物膜的影响

稀土元素能够有效地改善镍基喷焊合金层的组织，提高其耐磨性和承载能力．为了弄清稀土元素在镍基喷焊合金层中的作用机理，利用Ｘ射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪和二次离子质谱仪等现代分析设备，就稀土元素对镍基喷焊合金层摩擦表面形成氧化物膜的影响进行了试验研究与分析．结果表明，添加稀土元素能够明显增大喷焊合金层摩擦表面氧化物膜的厚度，并在氧化物膜与基体之间产生富集，这对提高喷焊合金层与基体的结合强度，改善喷焊合金层的耐磨性和承载能力都有重要作用     

Numerical modeling of electrostatic spray painting transfer processes in rotary bell cup for automotive painting

Here we implemented a 3D comprehensive Eulerian-Lagrangian model in order to investigate the electrostatic spray transfer processes in the high-speed rotary bell sprayer. This efficient algorithm contains spray dynamics, airflow, paint droplets tracking and an electrostatic effect to simulate atomization. The algorithm is implemented using the OpenFOAM package. A solver for the particle trajectory was used to illustrate the process of spray transport and also the interaction of the airflow and the particle that is solved by momentum coupling. Creating an initial condition of the particle approach has been proposed that is matched with practical applications. The fluid-dynamics is simulated by solving the unsteady 3D compressible Navier-Stokes equations. Unsteady flow is computed by using a Large eddy simulation (LES) turbulence approach, while the motion of the particles is simulated by tracking the droplet size distribution approach. The model correctly predicts that the bell cup spin forces the paint particles to fall off from the bell surface towards the high-velocity airflow. The present work illustrates a tentative benchmark and contains a systematic analysis of the recirculation zone length, the toroidal vortex, the overspray phenomena and the flowfield characteristics like mean velocity, pressure, turbulent kinetic energy and velocity fluctuation. The results indicate as dominant operating parameter the air-paint flow rate with voltage level deeply affecting the spray shape. A more uniform distribution of the coating is obtained by growing this high-velocity shaping airflow, although the values of the transfer efficiency (TE) are reduced. The distribution of the particle size is very sensitive to changes in the rotational speed. Experimental results obtained in this study put forward a clear link between the shaping air flow rate and the rotation frequency on the aerodynamics and also provide valuable insights to design modern ERBS. The paint spray distribution obtained in the present work is validated against coating experimental results with suitable accuracy.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.