四种雾化介质对气雾化流场影响的模拟及实验研究

【摘要】气雾化制粉技术可以制备多种球形金属或合金粉末,并且粉末具有球形度高、氧含量低以及冷却速率大等特点。然而,该技术本身是一个多相流相互耦合作用的复杂过程,同时关于不同雾化介质在气雾化过程中对粉末性能影响的研究较少。本文采用计算流体动力学(CFD)方法,利用FLUENT软件模拟了氩气、空气、氮气、氦气四种雾化介质超音速气雾化的单相、气-熔体两相流场结构,对不同雾化介质对气雾化流场的影响进行了系统性的研究,并结合模拟结果进行了气雾化制备A13Ni合金粉末实验。研究发现：四种雾化介质单相气雾化流场中氩气、空气、氮气、氦气的最大速度分别为535.19m/s、705.74m/s、711.92m/s、1704.22m/s;流场温度分布与气流速度分布结构趋于一致,最低温度分别为24.96K、52.59K、60.75K、20.43K；在相同雾化气体压力条件下,导液管顶端抽吸压强△P分别为-90.26KPa、-75.49KPa、-71.25KPa、-50.85KPa；导液管顶端径向分布的静压强存在一个压力梯度。在气-熔体两相流场模拟结果中发现,引入金属熔体后,流场内有效雾化区减小。氩气、空气、氮气、氦气-熔体流场最大速度分别为459.13m/s、624.07m/s、632.78m/s、1563.63m/s；雾化流场内熔体进入气-熔体作用区的距离分别为2mm、22mm、25mm与10mm。模拟结果还显示,金属熔体自导液管流出后,液面呈现由凹面到凸面的转变。此外,气-熔体三维流场模拟结果直观的展示了雾化过程熔滴的变化趋势。采用四种雾化介质制备了Al3Ni合金粉末,结果表明,氦气雾化所得粉末粒径最小,粉末平均粒径D50约为19.13μm,且粒度分布呈单峰分布。氩气、氮气、空气雾化粉末呈双峰分布,D50分别为38.25μm、36.42μm、40.32μm、四种气体雾化粉末金相组织均由Al3Ni相、AI3Ni2相和Al基体相组成。空气、氩气、氮气、氦气雾化的粉末表面形貌及球形度依次变好。对粉末XRD图谱进行分析,发现雾化介质由空气→氮气→氩气→氦气时,其衍射图谱的2θ值逐渐变大,粉末晶面间距逐渐减小。
【作者】付军华；
【导师】张少明；徐骏；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】超音速气雾化；FLUENT；雾化介质；气-熔体两相；流场结构；三维模拟；

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