一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍設(shè)計(jì)方法，包括建立幾何模型；設(shè)置幾何模型的初始條件；對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析；優(yōu)化修改幾何模型的結(jié)構(gòu)和初始條件；再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析；完成設(shè)計(jì)；通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建立三維幾何模型，將設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)到模型當(dāng)中；經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，將原有難以測(cè)得的多物理場(chǎng)的分布數(shù)字化、模型化和具體化，得到高溫區(qū)的動(dòng)態(tài)分布情況，充分考慮其與時(shí)間的關(guān)系，利用分析結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并多次重復(fù)優(yōu)化修改和計(jì)算分析，使氣流的流動(dòng)以及噴槍的壽命都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，分析全面準(zhǔn)確，適宜推廣應(yīng)用；并得到一種使用壽命長(zhǎng)，工作性能好，成本較低的內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍。
【專利說(shuō)明】一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及噴槍及其設(shè)計(jì)方法，具體為一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子噴涂是通過(guò)高溫壓縮電弧時(shí)產(chǎn)生電離而形成電中性的等離子弧，等離子弧的能量集中且溫度很高，其焰流溫度在萬(wàn)度以上，可以將所有固態(tài)工程材料熔化，將金屬或非金屬等粉末粒子材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并將其加速到一定的速度，然后撞擊至基底上形成涂層。這一方法得到的涂層質(zhì)量致密和粘接強(qiáng)度高，而且噴涂的效率高。但在理論上，許多等離子噴涂的基本機(jī)理仍然不是很清楚；這包括等離子工作氣體的狀態(tài)特性，包括溫度和速度等，另外等離子工作氣體與電極固體的相互作用也不清楚。
[0003]因此在相應(yīng)的設(shè)備研制上，很多都是靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，而沒(méi)有完善的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)前的模擬預(yù)測(cè)。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法保證設(shè)計(jì)的設(shè)備的性能和質(zhì)量，只有設(shè)計(jì)完成后對(duì)設(shè)備進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，然后再根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)噴槍。這種設(shè)計(jì)方法的盲目性比較大，而且成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，不能精確對(duì)所需求的噴槍結(jié)構(gòu)完成既定目標(biāo)的一次實(shí)現(xiàn)，多次的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)噴槍的設(shè)計(jì)也缺乏實(shí)際的指導(dǎo)意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于多物理場(chǎng)計(jì)算，利用數(shù)值計(jì)算分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠從原理上指導(dǎo)噴槍的設(shè)計(jì)，人力和時(shí)間成本低的內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍設(shè)計(jì)方法。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟，
[0006]第一步，建立幾何模型；
[0007]根據(jù)等離子噴槍的設(shè)計(jì)要求初步確定內(nèi)送粉等離子噴槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立內(nèi)送粉噴槍的三維結(jié)構(gòu)的幾何模型；幾何模型包括電極和流道，電極包括陰極固體和陽(yáng)極固體，流道包括主氣流道、冷卻水流道和內(nèi)送粉流道；
[0008]第二步，設(shè)置幾何模型的初始條件；
[0009]將建立的幾何模型通過(guò)網(wǎng)格劃分為不同的計(jì)算域，并根據(jù)實(shí)際工作參數(shù)設(shè)置幾何模型的初始條件，初始條件包括計(jì)算條件和邊界條件；
[0010]第三步，對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析；
[0011]對(duì)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析是，根據(jù)工作氣體的電離狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算分析幾何模型對(duì)氣體流動(dòng)的影響；
[0012]對(duì)多物理場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析是，在三維結(jié)構(gòu)的幾何模型下，能夠得到內(nèi)部多物理場(chǎng)分布，根據(jù)其對(duì)工作氣體運(yùn)動(dòng)的影響，從而得出高溫區(qū)的分布和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而分別計(jì)算分析得出其對(duì)陰極固體壽命的影響；多物理場(chǎng)分布包括電場(chǎng)的分布和磁場(chǎng)的分布以及電流密度的分布；
[0013]第四步，優(yōu)化修改幾何模型的結(jié)構(gòu)和初始條件；
[0014]在前一步驟中所述噴槍結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前一步驟中對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，分別對(duì)影響內(nèi)部高溫區(qū)工作電離氣體運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和條件進(jìn)行優(yōu)化修改；
[0015]第五步，再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析；
[0016]在優(yōu)化修改后的結(jié)構(gòu)模型和初始條件的基礎(chǔ)上，再一次對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行如第三步中所述的數(shù)值計(jì)算分析；
[0017]第六步，完成設(shè)計(jì)；
[0018]再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析后，根據(jù)其與實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求的對(duì)比，符合設(shè)計(jì)要求的，完成噴槍設(shè)計(jì)；不符合設(shè)計(jì)要求的，重復(fù)第四步到第五步，直到得出符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)后，完成嗔槍設(shè)計(jì)。
[0019]優(yōu)選的，所述的三維結(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部電弧運(yùn)用的不確定性采用三維非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
[0020]優(yōu)選的，所述的計(jì)算域包括氣體計(jì)算域、陰極固體計(jì)算域、陽(yáng)極固體計(jì)算域和外部環(huán)境計(jì)算域。
[0021]優(yōu)選的，所述的對(duì)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析包括，根據(jù)雙溫計(jì)算模型分別對(duì)工作電離氣體與電極表面和冷氣流的交界面的溫度變化進(jìn)行計(jì)算分析；根據(jù)Arrhenius和Cross-section定律計(jì)算內(nèi)部電離反應(yīng)速率，分析氣體電離度，得到氣體的組分；根據(jù)Sutherland定律對(duì)工作氣體的粘度進(jìn)行計(jì)算分析。
[0022]優(yōu)選的，所述的計(jì)算條件包括陰極固體和陽(yáng)極固體的材料及參數(shù)，設(shè)置在陰極固體尖點(diǎn)處的偏置電壓，陽(yáng)極固體的電勢(shì)為零，以及在初始?xì)怏w中電離氣體的含量。
[0023]優(yōu)選的，所述的陰極固體和陽(yáng)極固體材料分別為鎢和紫銅，其中鎢的密度為19254kg/m3，銅的密度為8930kg/m3，電阻率分別為53n Q/m和16.73n Q/m，熱導(dǎo)率分別為190W/ (m ? K)和 198W/ (m ? K)。
[0024]優(yōu)選的，所述的邊界條件包括設(shè)置在遠(yuǎn)離陰極固體尖點(diǎn)的端面處的電流邊界。
[0025]優(yōu)選的，所述的優(yōu)化修改包括電流密度的提高，根據(jù)電流密度的分布改變陰極固體尖點(diǎn)的修改，使內(nèi)部磁場(chǎng)及電場(chǎng)分布更有利于氣體壓縮效應(yīng)的相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的增加或減少，能夠使內(nèi)部高溫區(qū)分布更加均勻的流道結(jié)構(gòu)修改；流道結(jié)構(gòu)的修改包括根據(jù)內(nèi)部溫度的分布對(duì)冷卻水流道布局的修改。
[0026]優(yōu)選的，所述的內(nèi)部溫度的分布包括工作電離氣體的溫度分布，陰極固體的溫度分布，以及陽(yáng)極固體的溫度分布。
[0027]本發(fā)明還提供一種通過(guò)上述任意一種方法設(shè)計(jì)得到的使用壽命長(zhǎng)，工作性能好，成本較低的內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍。
[0028]本發(fā)明所提供的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建立噴槍完整的三維幾何模型，加之根據(jù)實(shí)際的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定的邊界條件以及計(jì)算條件，將設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需求準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)到模型當(dāng)中；經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，將原有難以測(cè)得的氣流電離狀態(tài)、溫度、速度等關(guān)鍵場(chǎng)的分布數(shù)字化和模型化，并將在預(yù)先設(shè)計(jì)的噴槍結(jié)構(gòu)下內(nèi)部的包括電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流的多物理場(chǎng)的分布具體化；得到高溫區(qū)的動(dòng)態(tài)分布情況，充分考慮其與時(shí)間的關(guān)系，利用分析結(jié)果對(duì)多物理場(chǎng)的分布狀態(tài)下的冷卻水流道、陰極固體尖點(diǎn)位置等結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并多次重復(fù)優(yōu)化修改和計(jì)算分析，使氣流的流動(dòng)以及噴槍的壽命都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以此完成噴槍的設(shè)計(jì)。方法設(shè)計(jì)合理，操作步驟簡(jiǎn)單，耗費(fèi)成本低，所需時(shí)間短，數(shù)據(jù)分析全面準(zhǔn)確，適宜推廣應(yīng)用。
[0029]本發(fā)明所提供的噴涂噴槍，使用壽命長(zhǎng)，噴涂均勻穩(wěn)定，設(shè)計(jì)成本低，并能夠根據(jù)不同工作情況快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改進(jìn)適應(yīng)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明技術(shù)路線框圖。
[0031]圖2是本發(fā)明的內(nèi)送粉等離子噴槍示例模型的結(jié)構(gòu)及計(jì)算邊界條件示意圖；其中:1為陰極固體，2為陽(yáng)極固體，3為主氣流道，4為冷卻水流道，5為內(nèi)送粉流道。
[0032]圖3是本發(fā)明內(nèi)送粉等離子噴槍幾何模型圖。
[0033]圖4是本發(fā)明內(nèi)送粉等離子噴槍計(jì)算域網(wǎng)格模型圖。
[0034]圖5是本發(fā)明噴槍主氣流道網(wǎng)格模型圖。
[0035]圖6是本發(fā)明內(nèi)送粉流道三維網(wǎng)格圖。
[0036]圖7是本發(fā)明內(nèi)送粉等離子噴槍三維計(jì)算得到的內(nèi)部溫度分布截面圖。
[0037]圖8是本發(fā)明內(nèi)送粉等離子噴槍電流密度分布截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0039]參見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍設(shè)計(jì)方法，其技術(shù)路線的過(guò)程如下，
[0040]I)首先根據(jù)等離子噴涂噴槍的設(shè)計(jì)要求建立起含有等離子噴槍內(nèi)部陰陽(yáng)極固體的幾何模型，并對(duì)這一幾何模型根據(jù)設(shè)計(jì)要求和計(jì)算需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0041]2)然后依據(jù)工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置，確定數(shù)值模型中的各計(jì)算條件和邊界條件，其中考慮在工作氣體在噴槍內(nèi)部的電離，考慮噴槍的電場(chǎng)和磁場(chǎng)條件，考慮冷卻水流道的分布及其對(duì)氣流冷卻的冷卻作用。
[0042]3)根據(jù)分布陽(yáng)極固體2內(nèi)表面的高溫位置和陰極固體I尖點(diǎn)的電流密度分布預(yù)測(cè)電極的燒蝕情況，根據(jù)工作氣體的電離狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)分析原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)氣體流動(dòng)的影響，并進(jìn)行計(jì)算和分析。
[0043]4)依據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果滿足設(shè)計(jì)要求，則完成設(shè)計(jì)。如果不滿足要求則根據(jù)多物理場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、分析、對(duì)比后，最終得到符合要求地內(nèi)送粉等離子噴槍結(jié)構(gòu)。
[0044]其具體過(guò)程如下:
[0045]第一步，建立幾何模型。
[0046]等離子噴槍的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，根據(jù)等離子噴槍的設(shè)計(jì)要求，初步確定內(nèi)送粉等離子噴槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立建立起包括電極和流道的內(nèi)送粉噴槍幾何模型，優(yōu)選的采用CAE軟件；電極包括陰極固體I和陽(yáng)極固體2，流道包括主氣流道3、冷卻水流道4和內(nèi)送粉流道5。針對(duì)內(nèi)部電弧運(yùn)用的不確定性根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建模型時(shí)采用三維非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。圖3所示為對(duì)應(yīng)實(shí)際噴槍原始設(shè)計(jì)的幾何模型。
[0047]第二步，幾何模型初始條件的設(shè)置。[0048]對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分分為不同的計(jì)算域，如圖4所示，計(jì)算域包括氣體計(jì)算域、陰極固體I計(jì)算域、陽(yáng)極固體2計(jì)算域和外部環(huán)境計(jì)算域，并根據(jù)實(shí)際工作參數(shù)設(shè)置幾何模型的初始條件，初始條件包括計(jì)算條件和邊界條件；在這些計(jì)算域中，陰陽(yáng)電極采用的固體材料分別為鎢(W)和紫銅(Cu)，其中鎢的密度為19254kg/m3，銅的密度為8930kg/m3,電阻率分別為53n Q/m和16.73n Q/m，熱導(dǎo)率分別為190ff/(m ? K)和198W/(m ? K) o
[0049]考慮到等離子工作氣體的性質(zhì)，在陰極固體I尖點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)偏置電壓來(lái)表征其表面的鞘層。電流邊界設(shè)置在遠(yuǎn)離陰極固體I尖點(diǎn)的端面處，從而用來(lái)消除電流密度邊界條件對(duì)實(shí)際陰極固體I電流分布狀態(tài)的影響，對(duì)于陽(yáng)極固體2認(rèn)為其電勢(shì)為零。為了與實(shí)際工作時(shí)的高頻起弧對(duì)應(yīng)，在計(jì)算中設(shè)置初始?xì)怏w含有少量已電離的氣體來(lái)代表高頻起弧的結(jié)果。其中主氣流道3的網(wǎng)格劃分如圖5所示。
[0050]第三步，對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。
[0051]對(duì)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析是，根據(jù)工作氣體的電離狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算分析幾何模型對(duì)氣體流動(dòng)的影響；包括根據(jù)雙溫計(jì)算模型分別對(duì)工作電離氣體與電極表面和冷氣流的交界面的溫度變化進(jìn)行計(jì)算分析；根據(jù)Arrhenius和Cross-section定律計(jì)算內(nèi)部電離反應(yīng)速率，分析氣體電離度，得到氣體的組分；根據(jù)Sutherland定律對(duì)工作氣體的粘度進(jìn)行計(jì)算分析。針對(duì)內(nèi)送粉流道5畫(huà)出如圖6所示的計(jì)算網(wǎng)格圖。
[0052]對(duì)多物理場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析是，在三維結(jié)構(gòu)的幾何模型下，能夠得到內(nèi)部多物理場(chǎng)分布，根據(jù)其對(duì)工作氣體運(yùn)動(dòng)的影響，從而得出高溫區(qū)的分布和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而分別計(jì)算分析得出其對(duì)陰極固體I壽命的影響；多物理場(chǎng)分布包括電場(chǎng)的分布和磁場(chǎng)的分布以及電流密度的分布；計(jì)算分析后得到內(nèi)送粉等離子噴槍的內(nèi)部溫度分布截面的結(jié)果如圖7所示。工作氣體的高溫部分代表了電弧的運(yùn)用狀態(tài)，而高溫區(qū)對(duì)噴構(gòu)內(nèi)表面的燒蝕產(chǎn)生了直接的影響，從圖7可以得出高溫氣體與電極表面的相對(duì)位置，從而對(duì)噴槍內(nèi)表面的燒蝕情況做出預(yù)測(cè)。同時(shí)，在三維計(jì)算模型的情況下，能夠得到內(nèi)部電場(chǎng)的分布和磁場(chǎng)的分布以及電流密度的分布，圖8所示的是其中的電流密度分布，從而能夠得出其對(duì)陰極固體I壽命的影響。`
[0053]第四步，優(yōu)化修改幾何模型的結(jié)構(gòu)和初始條件。
[0054]在前一步驟中所述噴槍結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前一步驟中對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，得到如圖7的溫度分布和如圖8的電流密度分布情況結(jié)果。分別對(duì)影響內(nèi)部高溫區(qū)工作電離氣體運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和條件進(jìn)行優(yōu)化修改，從整體上延長(zhǎng)使用壽命，提高工作質(zhì)量；其包括一是電流密度的提高，也就是提高陰極固體I的電子發(fā)射量，使氣流得到更多的加熱，從而能提高噴槍的工作效率；二是能夠使內(nèi)部高溫區(qū)分布更加均勻，從而提高了噴槍工作的質(zhì)量；三是根據(jù)電流密度的分布改變陰極固體I尖點(diǎn)的修改，也就是保護(hù)陰極固體I電流集中處的修改，增加噴槍的使用壽命；四是使內(nèi)部磁場(chǎng)及電場(chǎng)分布更有利于氣體壓縮效應(yīng)的相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的增加或減少，從而達(dá)到對(duì)氣流流動(dòng)的有利狀態(tài)；五是根據(jù)內(nèi)部溫度的分布對(duì)冷卻水流道4布局的修改，內(nèi)部溫度的分布包括工作電離氣體的溫度分布，陰極固體I的溫度分布，以及陽(yáng)極固體2的溫度分布。通過(guò)以上的優(yōu)化修改達(dá)到對(duì)噴槍結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
[0055]第五步，再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。[0056]在優(yōu)化修改后的結(jié)構(gòu)模型和初始條件的基礎(chǔ)上，再一次對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行如第三步中所述的數(shù)值計(jì)算分析。
[0057]第六步，完成設(shè)計(jì)。
[0058]再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析后，根據(jù)其與實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求的對(duì)比，符合設(shè)計(jì)要求的，完成噴槍設(shè)計(jì)；不符合設(shè)計(jì)要求的，重復(fù)第四步到第五步，直到得出符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)后，完成嗔槍設(shè)計(jì)。
[0059]最后制成實(shí)際加工圖紙并交由加工部門(mén)加工制作；得到一種使用壽命長(zhǎng)，噴涂均勻穩(wěn)定，設(shè)計(jì)成本低，并能夠根據(jù)不同工作情況快速進(jìn)行改進(jìn)適應(yīng)的內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍。
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟， 第一步，建立幾何模型； 根據(jù)等離子噴槍的設(shè)計(jì)要求初步確定內(nèi)送粉等離子噴槍的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件建立內(nèi)送粉噴槍的三維結(jié)構(gòu)的幾何模型；幾何模型包括電極和流道，電極包括陰極固體(1)和陽(yáng)極固體(2)，流道包括主氣流道(3)、冷卻水流道(4)和內(nèi)送粉流道(5)；第二步，設(shè)置幾何模型的初始條件； 將建立的幾何模型通過(guò)網(wǎng)格劃分為不同的計(jì)算域，并根據(jù)實(shí)際工作參數(shù)設(shè)置幾何模型的初始條件，初始條件包括計(jì)算條件和邊界條件； 第三步，對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析； 對(duì)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析是，根據(jù)工作氣體的電離狀態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算分析幾何模型對(duì)氣體流動(dòng)的影響； 對(duì)多物理場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算分析是，在三維結(jié)構(gòu)的幾何模型下，能夠得到內(nèi)部多物理場(chǎng)分布，根據(jù)其對(duì)工作氣體運(yùn)動(dòng)的影響，從而得出高溫區(qū)的分布和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而分別計(jì)算分析得出其對(duì)陰極固體(1)壽命的影響；多物理場(chǎng)分布包括電場(chǎng)的分布和磁場(chǎng)的分布以及電流密度的分布； 第四步，優(yōu)化修改幾何模 型的結(jié)構(gòu)和初始條件； 在前一步驟中所述噴槍結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前一步驟中對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布的數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，分別對(duì)影響內(nèi)部高溫區(qū)工作電離氣體運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和條件進(jìn)行優(yōu)化修改； 第五步，再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析； 在優(yōu)化修改后的結(jié)構(gòu)模型和初始條件的基礎(chǔ)上，再一次對(duì)模型結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)分布分別進(jìn)行如第三步中所述的數(shù)值計(jì)算分析； 第六步，完成設(shè)計(jì)； 再次進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析后，根據(jù)其與實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)要求的對(duì)比，符合設(shè)計(jì)要求的，完成噴槍設(shè)計(jì)；不符合設(shè)計(jì)要求的，重復(fù)第四步到第五步，直到得出符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)后，完成嗔槍設(shè)計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的三維結(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)部電弧運(yùn)用的不確定性采用三維非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的計(jì)算域包括氣體計(jì)算域、陰極固體(1)計(jì)算域、陽(yáng)極固體(2)計(jì)算域和外部環(huán)境計(jì)算域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的對(duì)模型結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算分析包括，根據(jù)雙溫計(jì)算模型分別對(duì)工作電離氣體與電極表面和冷氣流的交界面的溫度變化進(jìn)行計(jì)算分析；根據(jù)Arrhenius和Cross-section定律計(jì)算內(nèi)部電離反應(yīng)速率,分析氣體電離度，得到氣體的組分；根據(jù)Sutherland定律對(duì)工作氣體的粘度進(jìn)行計(jì)算分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的計(jì)算條件包括陰極固體(1)和陽(yáng)極固體(2)的材料及參數(shù)，設(shè)置在陰極固體(1)尖點(diǎn)處的偏置電壓，陽(yáng)極固體(2)的電勢(shì)為零，以及在初始?xì)怏w中電離氣體的含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的陰極固體(1)和陽(yáng)極固體(2)材料分別為鎢和紫銅，其中鎢的密度為19254kg/m3，銅的密度為8930kg/m3，電阻率分別為 53n Q /m 和 16.73n Q /m,熱導(dǎo)率分別為 190W/ (m ? K)和 198W/ (m ? K)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的邊界條件包括設(shè)置在遠(yuǎn)離陰極固體(1)尖點(diǎn)的端面處的電流邊界。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的優(yōu)化修改包括電流密度的提高，根據(jù)電流密度的分布改變陰極固體(1)尖點(diǎn)的修改，使內(nèi)部磁場(chǎng)及電場(chǎng)分布更有利于氣體壓縮效應(yīng)的相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的增加或減少，能夠使內(nèi)部高溫區(qū)分布更加均勻的流道結(jié)構(gòu)修改；流道結(jié)構(gòu)的修改包括根據(jù)內(nèi)部溫度的分布對(duì)冷卻水流道(4)布局的修改。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴槍設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的內(nèi)部溫度的分布包括工作電離氣體的溫度分布，陰極固體(1)的溫度分布，以及陽(yáng)極固體(2)的溫度分布。
10.一種內(nèi)送粉等離子噴涂噴槍，其特征在于，通過(guò)以上權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)而成。`
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103745051SQ201310743225
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】魏正英, 胡福勝, 譚超, 杜軍, 韓志海 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)