纳米等离子体喷涂中纳米颗粒多相流的数值研究

纳米等离子体喷涂技术中，纳米颗粒的多相流基础研究远远落后于应用，特别是纳米颗粒的聚并、飞行等的机理尚不清楚。本研究通过对纳米等离子体喷涂中的纳米颗粒多相流过程进行理论分析、数值模拟和实验研究，达到以下目标：给出流体介质非连续性条件下纳米颗粒所受的拖曳力、范德华力、屏蔽静电力、布朗脉动力的表达式，用量纲分析找出不同雷诺数下的主导力；用拉格朗日方法直接数值模拟多个纳米粒子的聚并过程，给出聚并直径与初始状态的关系；制备纳米颗粒悬浮液并测量聚并直径，实验结果用于验证数值模型；建立等离子体射流中纳米粒子飞行、熔化和碰撞过程的多相流模型；实现纳米等离子体喷涂多相动力学全过程的建模，模拟不同参数下纳米粒子的聚并、雾化、飞行、碰撞、熔化、蒸发和氧化过程；研究纳米粒子初始直径、悬浮液物性、雾化气液比、射流温度和速度、飞行距离等参数对喷涂效果的影响，为工程应用提供理论依据。

纳米等离子体喷涂是一项新兴的材料技术，能在比较便宜的基体材料上沉积一定厚度的特殊物性的纳米涂层，有着广阔的市场前景。本项目在已取得的工作基础上，对纳米等离子体喷涂中的纳米颗粒多相流过程进行理论分析、数值计算和系统研究，围绕粒子的雾化、破碎、聚并、受力、加速、熔化、蒸发等过程中所涉及的多相流问题进行了深入的研究。建立了包括颗粒雾化、破碎、碰撞、凝并等完整飞行过程的的粒子多相流模型；模型给出了纳米颗粒所受拖曳力、萨夫曼力、布朗脉动力等的表达式，确定了不同流场和不同颗粒条件下的主导力；考虑了多相流过程中二次雾化、碰撞、蒸发等对纳米颗粒直径变化的影响，计算了纳米颗粒速度、温度、熔化度等状态参数，计算结果与实验结果吻合较好；同时，用该模型探讨了高温等离子体射流的工况，纳米颗粒的材料、尺寸等对粒子飞行过程及其喷涂效果的影响，为工程应用提供了理论依据。