高速悬浮火焰喷涂（HVSFS）燃烧喷射技术的数值模拟与优化

近十年以来，热喷涂技术在精密机械部件的加工领域取得了显著进展，尤其在应用亚微米和纳米结构层方面展现出独特的优势。传统式的HVOF（高速氧化物火焰喷涂）技术受到其粒子尺寸适用范围的限制，难以高效处理纳米尺度的颗粒。这促使新型技术——高速悬浮火焰喷涂（HVSFS）应运而生，旨在通过液体悬浮方式，实现对纳米材料的高效喷涂，进而形成致密且微观结构优化的涂层。

传统技术的局限与新型技术的引入

传统HVOF技术有着长达几十年的使用历史，能够为机械部件提供耐腐蚀、防粘附、耐磨表面层等特性。但随着对材料性能的更深层次探索，尤其是纳米材料的应用，对于粉末尺寸的精细调控成为增加材料机械强度、硬度等关键属性的必要条件。纳米材料的晶粒尺寸减少，尤其是到纳米级，能显著提升材料的机械性能。然而，从微米级转至纳米级，面临着从粉末合成到机械加工的重重挑战，尤其是传统粉末进料器技术对亚微米乃至纳米级别的粉末处理能力的缺失，加上粉末在操作过程中的流动性和安全性问题，使得新材料的高效利用成为了一个技术难题。

水平与策略的发展




为解决上述问题，研究人员转向了使用液体溶剂作为载体流体的悬浮液处理技术。不同于传统的粉末进料，悬浮液处理工艺不仅能避免粉末的直接机械处理带来的安全风险和复杂性，还通过液体形态实现了纳米材料的简化输入流程。为了达到纳米尺度的颗粒输送和加速，HVSFS技术应运而生，提升了对纳米材料的处理效率和质量。

HVSFS技术的关键参数与差异化

HVSFS技术的核心在于通过高速悬浮火焰的过程，实现载流体（液体溶剂）与待喷涂纳米材料（悬浮液）的高效混合和稳定输送。在这过程中涉及多项关键现象，包括燃料气体的燃烧、火焰与悬滴之间的能量传递、以及液体排出时的蒸发和燃烧。燃烧室中的化学和热力学过程包含预混合气体的燃烧、气体、有机溶剂与纳米颗粒间的动力学交互，对于形成具有先进物理性能的涂层至关重要。

模型与软件应用

采用CFD（计算流体动力学）模型对HVSFS技术进行深入分析和探讨，是一项复杂且多学科的挑战。此模型需要细致考虑预混合燃料气体的燃烧、火焰与有机溶剂、纳米颗粒之间的能量、动量和质量传递，以及液体的蒸发。通过应用商业计算软件ANSYS CFX 11，以欧拉法模拟气体的热场和流场，拉格朗日法模拟颗粒行为，能够提供对燃烧和动力学流动过程的精确描述。

模拟结果的解释与优化

通过模拟，研究人员能够揭示不同条件下的燃烧机理和气体动力学行为，包括温度、速度分布、液滴蒸发路径以及乙醇氧化过程中的冷却效应。优化喷射角度等参数，进一步改善了乙醇在燃烧室内的蒸发效率，减少了膨胀喷嘴内冷却效应的影响，从而提升了整个过程的能效和涂层质量。