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上海交通大學(xué)特種材料研究所增材制造團(tuán)隊(duì)題為“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a new coupled simulation model”的論文在材料加工領(lǐng)域高水平期刊Materials Design上發(fā)表。該研究建立了多相流與離散相耦合模型，將數(shù)值模擬技術(shù)和粉末表征實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，解釋了氣霧化制粉工藝過程中空心粉、衛(wèi)星粉以及異形粉的形成機(jī)理，并基于此提出了相應(yīng)的氣霧化工藝及裝備優(yōu)化策略。

論文主要使用ANSYS-FLUENT流體仿真軟件中的多相流模型（VOF）和離散相顆粒模型（DPM），基于耦合的方式對(duì)氣霧化工藝進(jìn)行全過程模擬，分析了金屬熔體的剪切、初次破碎、二次破碎、冷卻凝固等過程（圖1）。

圖1.論文的圖形摘要

由于研究對(duì)象是粉末缺陷，缺陷的尺度在微米級(jí)別，所以計(jì)算網(wǎng)格必須足夠細(xì)。為了解決以上問題，論文采用了基于金屬相體積分?jǐn)?shù)梯度的自適應(yīng)網(wǎng)格方法，在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高了計(jì)算效率。通過模擬，解析了金屬粉末以及缺陷的形成過程，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析給出了各類缺陷形成的原因。研究表明，空心粉可以形成于初次破碎和二次破碎階段。

圖2.初次破碎空心粉形成過程

初次破碎階段，氣液交互作用使得界面處出現(xiàn)了開爾文-霍姆赫茲不穩(wěn)定效應(yīng)，產(chǎn)生卷氣行為，形成了大量的氣泡，該氣泡部分進(jìn)入到破碎的液滴中，導(dǎo)致空心粉產(chǎn)生（圖2）；二次破碎階段液滴的行為和韋伯系數(shù)相關(guān)，不同韋伯系數(shù)下液滴將會(huì)產(chǎn)生不同的的破碎行為，當(dāng)韋伯系數(shù)在175到375之間時(shí)，其剪切破碎中極易產(chǎn)生空心粉，仿真和粉末表征實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一現(xiàn)象（圖3）。

圖3.二次破碎空心粉形成過程

仿真結(jié)果表明，不規(guī)則形狀粉末主要產(chǎn)生在液滴冷卻與凝固階段。這個(gè)過程中，液滴被充分加速，氣液的速度差導(dǎo)致了作用于液滴的曳力，和液滴自身的表面張力綜合作用使得液滴發(fā)生變形，從而最終凝固形成不規(guī)則粉末（圖4）。

圖4.異形粉形成過程

在衛(wèi)星粉形成機(jī)理方面，論文通過數(shù)值仿真和理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)：二次破碎后不同粒徑液滴的飛行速度不同，大液滴飛行速度小于小液滴；小液滴的冷卻速度更快。當(dāng)小液滴撞上大液滴時(shí)，并會(huì)發(fā)生粘附，形成衛(wèi)星粉（圖5）。

圖5.衛(wèi)星粉形成過程

基于以上分析結(jié)果，論文最后給出了抑制缺陷的工藝措施，包括合理使用二級(jí)霧化噴嘴，合理布置噴嘴位置，以及控制氣體溫度等。研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)氣霧化制粉工藝優(yōu)化、提升增材制造粉末質(zhì)量具有重要意義。論文受到國家自然科學(xué)基金 (52075327，52004160)、上海市自然科學(xué)基金(20ZR1427500)、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大專項(xiàng)(Z2020001)等經(jīng)費(fèi)的資助。