超音速火焰喷涂属于热喷涂技术的一种,广泛应用于金属材料表面防护和修复等工业生产中。超音速火焰喷涂性能主要取决于喷涂粉末加热和加速过程。随着喷涂技术的发展,多种类型喷枪被研发出来。不同类型喷枪的气体流场对喷涂粒子的加热、加速过程存在差别。喷涂过程中包含化学反应燃烧、热传导、流场动力学等学科知识,研究不同类型超音速火焰喷枪喷涂过程中的气体流场和粒子飞行状态有助于理解喷枪内流场各种物理化学现象,同时为超音速火焰喷枪设计和喷涂参数设置提供参考。随着数值模拟技术的发展,超音速火焰喷涂过程能够通过数值模拟软件精确模拟不同参数条件下的气体流场状态和粒子飞行过程,模拟结果通过数值模拟软件后处理器的可视化技术以图形和数据形式表示出来。本文采用CFD商业软件FLUENT模拟超音速火焰喷涂过程,以Kermetico公司的ak系列超音速火焰喷枪为基础,按等比例原则将模型简化为包括燃烧室、拉伐尔喷嘴、等截面喷管以及空气域的二维模型。使用gambit软件进行建模和网格划分。模拟假设条件包括:110mm喷管长度和90mm喷管长度、纯丙烷为燃料和丙烷与氢气摩尔分数比为4:1的混合燃料。燃烧气体入口边界设为质量流量入口,出口边界设为压力出口。燃烧过程的模拟选择非预混燃烧模型;湍流模拟选择Realizableκ-ε湍流模型。计算在110mm和90mm长度的喷管条件下不同燃料成分的气体流场状态图。对比分析不同条件下的速度、温度分布云图和变化曲线;分析激波生成机理和拉伐尔喷嘴处的气体流场变化。在燃烧气体流场模拟结果的基础上加入粒子离散相模型模拟喷涂粒子与气体流场的耦合现象,对比不同粒径和粒子注入速度对粒子飞行状态的影响。模拟结果得出较长的喷管能够让喷枪燃烧室燃烧更充分,出口处有明显激波存在。燃料中由于氢气能量密度高于丙烷,气体流场分布云图表明氢气作为辅助燃料使燃烧气流温度场更集中。对比粒径和粒子注入速度得到的结果认为粒径为20μm时粒子飞行速度最高,粒子温度下降最快;粒子注入速度在20m/s至30m/s时,粒子飞行速度最高。