[发明专利]基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法

说明书

本发明公开了一种基于Flow‑3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。本发明不仅仅体现在熔滴过渡时速度的推导上，还体现在熔滴温度、速度和大小对铺展形貌的影响上，通过同时调整熔滴初始状态的参数，可以得出不同参数下的铺展凝固形貌。

技术领域

本发明涉及一种表面改性技术，尤其是一种基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法。

背景技术

学者们对熔滴的过渡行为以及熔滴在基体表面铺展的物理模型进行了研究，但是微弧火花沉积熔滴的大小是微米级的，放电时间是微妙级的，由于微弧火花沉积熔滴过渡是个多场耦合的复杂热物理过程，在整个过程中温度、速度、应力等都是不停变化的，所以无法通过理论推导获得相应结果，只有采用数值计算技术来实现。Flow-3D是高效能的计算仿真工具，工程师能够根据自行定义多种物理模型，应用於各种不同的工程领域。藉由精确预测自由液面流动(free-surface flows)，Flow-3D可以在工程领域中改进现有制程。本文采用数值模拟对微弧火花沉积过程中熔滴在基体表面铺展凝固进行研究，有助于精确描述熔滴铺展的动态过程(热力学和动力学过程)，从而深入理解其动态过程中所发生的现象和规律。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

基于Flow-3D软件对微弧火花沉积中熔滴过渡实现数值模拟的方法，其特征在于：创建基体表面上沉积熔融金属滴的模型，模型由熔滴和基体组成，设置基体的长宽高分别为200μm、200μm、50μm，熔滴距离基体表面的距离为100μm，利用六面体网格技术进行网格划分，对于单个微弧火花熔滴过渡过程中，每个单元格的大小为2μm×2μm×2μm；

结合不可压缩流体的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程作为控制方程来描述液体的运动，基于有限差分法的控制方程，通过流体体积函数方法求解微弧火花沉积熔滴过渡铺展过程中的传热流动。

模型中电极的尖端距离基体一定的距离，熔滴具有向下和向右的初始速度。

采用的是笛卡尔坐标系，当网格单元充满液体时，F＝1；当网格单元中为空时，F＝0；当网格单元有部分液体时0F1；VOF函数中的F满足以下方程I：

式中：u，v和w分别表示x，y和z方向的速度矢量；Ax，Ay，Az分别表示x，y和z各自方向上流体开放的面积，V_F表示单位网格中可流动液体的体积分数。

质量连续性方程，假设微滴为不可压缩流体，体积不变，在相变过程中密度不变，则应满足质量连续性方程II：

式中，ρ是微滴的密度。

对于动量守恒方程，在三个坐标方向上的流体速度分量(u，v，w)的运动方程是Navier-Stokes方程III：

式中τ是粘性应力，(wsx,wsy,wsz)项表示壁剪应力。

对于流体内部能量守恒方程IV，则表示为：

其中I是宏观混合物的内部能量；

假设能量I是温度的线性函数V：

I＝C_VT+(1-f_s)C_LHT (V)