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上海交通大學特種材料研究所增材製造團隊題為“Interaction between high-velocity gas and liquid in gas atomization revealed by a newcoupled simulation model”的論文在材料加工領域高水平期刊Materials Design上發表。
該研究建立了多相流與離散相耦合模型，將數值模擬技術和粉末表徵實驗相結合，解釋了氣霧化制粉工藝過程中空心粉、衛星粉以及異形粉的形成機理，並基於此提出了相應的氣霧化工藝及裝備最佳化策略。本期谷.專欄，將推這一研究成果進行分享。
論文連結：doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110264
研究成果解析
論文主要使用ANSYS-FLUENT流體模擬軟體中的多相流模型（VOF）和離散相顆粒模型（DPM），基於耦合的方式對氣霧化工藝進行全過程模擬，分析了金屬熔體的剪下、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
由於研究物件是粉末缺陷，缺陷的尺度在微米級別，所以計算網格必須足夠細。為了解決以上問題，論文采用了基於金屬相體積分數梯度的自適應網格方法，在保證計算精度的同時提高了計算效率。透過模擬，解析了金屬粉末以及缺陷的形成過程，結合運動學和動力學分析給出了各類缺陷形成的原因。研究表明，空心粉可以形成於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，氣液互動作用使得介面處出現了開爾文-霍姆赫茲不穩定效應，產生卷氣行為，形成了大量的氣泡，該氣泡部分進入到破碎的液滴中，導致空心粉產生（圖2）；二次破碎階段液滴的行為和韋伯係數相關，不同韋伯係數下液滴將會產生不同的的破碎行為，當韋伯係數在175到375之間時，其剪下破碎中極易產生空心粉，模擬和粉末表徵實驗驗證了這一現象（圖3）。
圖3.二次破碎空心粉形成過程
模擬結果表明，不規則形狀粉末主要產生在液滴冷卻與凝固階段。這個過程中，液滴被充分加速，氣液的速度差導致了作用於液滴的曳力，和液滴自身的表面張力綜合作用使得液滴發生變形，從而最終凝固形成不規則粉末（圖4）。
圖4.異形粉形成過程
在衛星粉形成機理方面，論文透過數值模擬和理論推導發現：二次破碎後不同粒徑液滴的飛行速度不同，大液滴飛行速度小於小液滴；小液滴的冷卻速度更快。當小液滴撞上大液滴時，並，會發生粘附，形成衛星粉（圖5）。
圖5.衛星粉形成過程
基於以上分析結果，論文最後給出了抑制缺陷的工藝措施，包括合理使用二級霧化噴嘴，合理佈置噴嘴位置，以及控制氣體溫度等。研究結果對於指導氣霧化制粉工藝最佳化、提升增材製造粉末質量具有重要意義。論文受到國家自然科學基金 (52075327，52004160)、上海市自然科學基金(20ZR1427500)、上海市揚帆計劃（20YF1419200）、安徽省淮北市科技重大專項(Z2020001)等經費的資助。
