雾化器喷嘴的钎焊制备及其雾化特性的数值模拟研究

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在化工领域,雾化器在生产过程中经常会面临严苛的工况,因材料性能不足造成的磨损问题和因结构不合理造成的产品质量问题都严重影响了雾化生产效率。因此,一种高性能、长寿命、耐磨损且结构合理的雾化器部件亟待进行研制。新型的雾化器喷嘴是采用聚晶金刚石片与超细晶硬质合金钎焊组合而成,针对该两种材料的钎焊复合自主设计了一种新型银基活性钎料,对钎料的钎焊特性和接头组织及力学性能进行了研究;同时应用计算流体动力学软件FLUENT对新型的雾化器喷嘴的内外流场特性和雾化效果进行了研究分析。通过正交设计方法,在传统Ag-Cu-Ti钎料基础上,改变其中的Ti含量以及加入一定的Sn和Ni元素,得到9组不同成分的活性钎料。实验结果显示,Sn元素的添加能有效降低钎料的熔点,Ti含量的增加则对提高钎料铺展性能有利;相对地,钎料熔化区间也会随元素种类和含量的增加而扩大。继续考察了9组钎料制备的钎焊接头的组织和力学行为,由背散射电子图像和能谱分析可以得知钎缝组织以蠕虫状灰色铜固溶体分布在白色银固溶体基体形成的网状或岛状结构为主,钎缝边界则富集了Ti元素,说明钎料与金刚石通过化学反应生成Ti C而形成结合。在抗剪强度和显微硬度测试中,以Ag-Cu-4Ti-5Sn钎料制备的接头具有的性能最优,分别达到了330±22 MPa和2009±274 MPa;通过扫描电镜观察断口形貌,发现随着元素种类和含量的增加,接头断裂失效形式从准解理断裂发展为解理断裂。雾化器喷嘴内部流场的发展特性基于多相流VOF(Volume of Fluid)方法以及雷诺应力模型(Reynolds Stress Model,RSM)进行了数值模拟研究。研究结果显示,仿真得到的雾化锥角结果与实际实验结果相比略高,误差范围在20%以内。随着入口压力的增大,水流射出速度增大,但雾化锥角的大小基本保持稳定。同时,通过正交设计方法改变了喷嘴壁面圆弧半径、喷嘴高度、出口厚度和出口直径尺寸,得到9组结构不同的雾化器喷嘴模型并进行了仿真实验。结果显示,雾化锥角的大小随壁面圆弧半径和出口直径的增大而增大,随喷嘴高度和出口厚度的增大而减小。优化后的喷嘴取壁面圆弧半径R=25 mm,喷嘴高度Ls=8 mm,出口厚度lo=0.5 mm,出口直径do=3 mm,仿真雾化锥角达到91.1°。采用图像分析方法分别对8.5 MPa压力、3.2 mm孔径和10 MPa压力、3.0 mm孔径的雾化器所生产的颗粒进行粒度粒型研究。其中工艺1得到的颗粒索太尔平均粒径D32=90.21μm,工艺2得到的颗粒索太尔平均粒径D32=60.64μm。两组粉末均具有较好的球形度,粉末间粘连的情况不严重。基于FLUENT软件的离散相模型(Discrete Phase Model,DPM),进一步对不同入口压力和出口孔径条件下的颗粒特性进行数值模拟研究。仿真结果与实验结果取得了良好的拟合,同时表明提高入口压力和缩小出口孔径有利于细化颗粒,但不利于保证粒度分布的集中度。
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