Розроблення підходу до розрахунку і оптимізації надзвукового сопла для холодного газодинамічного напилювання

Автор(и)

  • Олександр Володимирович Шорінов Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-5057-6679
  • Ніна Валеріївна Савченко Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0001-8144-9368
  • Ольга Володимирівна Шипуль Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-1356-5831
  • Ігор Володимирович Зорік Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-3053-2369
  • Сергій Миколайович Нижник Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-5684-593X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.347028

Ключові слова:

ізоентропійна модель, прискорення частинок, багатофакторна оптимізація, критична швидкість, дисперсійний аналіз

Анотація

Об’єктом дослідження є процес прискорення частинок порошку в надзвуковому соплі для холодного газодинамічного напилювання (ХГН). Проблемою, на вирішення якої було спрямовано дослідження, є відсутність встановлених закономірностей комплексного впливу параметрів газу та геометрії сопла на швидкість частинок порошку на виході з сопла, що ускладнює прогнозування та керування процесом напилювання.

Запропоновано та реалізовано новий підхід до проєктування сопел для ХГН, який дає змогу цілеспрямовано оптимізувати їх геометричні параметри з урахуванням параметрів газу на вході в сопло. Підхід базується на поєднанні аналітичного моделювання (ізоентропічна модель, модель прискорення частинок), методів статистичного планування та аналізу експериментів (центральний композиційний план, побудова рівнянь регресії) і багатофакторної оптимізації геометрії сопла. Встановлено закономірності між швидкістю частинок алюмінію розміром 25 мкм на виході з сопла і параметрами газу: тиск гальмування 0,8–2,5 МПа і температура гальмування 300–700 °C. Також в розрахунках враховано вплив геометрії сопла: критичний діаметр 1,0–3,0 мм, вихідний діаметр 5,0–10,0 мм, довжина розширювальної ділянки 80–150 мм. Отримане сопло та режим напилювання забезпечують досягнення частинками швидкості на виході 596 м/с, що перевищує необхідний мінімум 550 м/с, при витраті повітря 1,0 м³/хв. Запропонований підхід може бути застосований для проєктування нових сопел для мобільних і стаціонарних установок ХГН, що працюють на стисненому повітрі, азоті або гелії з тиском від 0,6 до 4,0 МПа, зокрема для напилювання захисних і відновлювальних покриттів в умовах обмеженої витрати газу. Отримані результати створюють основу для розроблення програмного інструмента або автоматизованої системи проєктування сопел для ХГН в широкому діапазоні початкових параметрів газу та порошку

Біографії авторів

Олександр Володимирович Шорінов, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології виробництва авіаційних двигунів

Ніна Валеріївна Савченко, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат фізико-математичних наук, доцент, завідувачка кафедри

Кафедра вищої математики та системного аналізу

Ольга Володимирівна Шипуль, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут»

Доктор технічних наук, професор

Кафедра технології виробництва літальних апаратів

Ігор Володимирович Зорік, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра технології виробництва авіаційних двигунів

Сергій Миколайович Нижник, Національний аерокосмічний університет «Харківський авіаційний інститут»

Кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра технології виробництва авіаційних двигунів

Посилання

  1. Champagne, V., Helfritch, D. (2015). Critical Assessment 11: Structural repairs by cold spray. Materials Science and Technology, 31 (6), 627–634. https://doi.org/10.1179/1743284714y.0000000723
  2. Li, W.-Y., Liao, H., Douchy, G., Coddet, C. (2007). Optimal design of a cold spray nozzle by numerical analysis of particle velocity and experimental validation with 316L stainless steel powder. Materials & Design, 28 (7), 2129–2137. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2006.05.016
  3. Kun, T., Wenjie, H., Yurong, W. (2024). Optimization of Cold Spray Nozzles Based on the Response Surface Methodology. Journal of Engineering Sciences, 11 (1), F1–F11. https://doi.org/10.21272/jes.2024.11(1).f1
  4. Singhal, C., Murtaza, Q. (2024). Numerical optimization of cold gas dynamic spray process parameters through response surface methodology. Advances in Materials and Processing Technologies, 1–18. https://doi.org/10.1080/2374068x.2024.2439710
  5. Assadi, H., Gärtner, F., Stoltenhoff, T., Kreye, H. (2003). Bonding mechanism in cold gas spraying. Acta Materialia, 51 (15), 4379–4394. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(03)00274-x
  6. Jadhav, P. A., Deivanathan, R. (2023). Numerical and experimental investigation of the droplet size for MQL aerosol under different operating parameters with Flow visualization. Engineering Research Express, 5 (3), 035069. https://doi.org/10.1088/2631-8695/acf548
  7. Shorinov, O., Dolmatov, A., Polyviany, S. (2023). The effect of process temperature and powder composition on microstructure and mechanical characteristics of low-pressure cold spraying aluminum-based coatings. Materials Research Express, 10 (2), 026401. https://doi.org/10.1088/2053-1591/acb6f0
  8. Shorinov, O., Volkov, A., Neveshkin, Y., Danko, K., Kalinichenko, N. (2023). Theoretical Study of Powder Particle Parameters in a Modified Cold Spray Nozzle. Advances in Design, Simulation and Manufacturing VI, 168–176. https://doi.org/10.1007/978-3-031-32774-2_17
  9. Sinnwell, Y., Maksakov, A., Palis, S., Antonyuk, S. (2025). Influence of the particle morphology on the spray characteristics in low-pressure cold gas process. Powder Technology, 464, 121084. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2025.121084
  10. Klinkov, S., Kosarev, V., Shikalov, V., Vidyuk, T. (2023). Development of ejector nozzle for high-pressure cold spray application: a case study on copper coatings. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. https://doi.org/10.1007/s00170-023-11047-3
  11. Goyal, T., Walia, R. S., Sidhu, T. S. (2012). Multi-response optimization of low-pressure cold-sprayed coatings through Taguchi method and utility concept. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 64 (5-8), 903–914. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4049-8
  12. Shorinov, O. V., Polyviany, S. A. (2022). Simulation of Gas Flow with Nanocomposite Carbon-Containing Powders in Supersonic Nozzle. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 44 (5), 601–611. https://doi.org/10.15407/mfint.44.05.0601
  13. Karkoulias, D. G., Tzoganis, E. D., Panagiotopoulos, A. G., Acheimastos, S.-G. D., Margaris, D. P. (2022). Computational Fluid Dynamics Study of Wing in Air Flow and Air–Solid Flow Using Three Different Meshing Techniques and Comparison with Experimental Results in Wind Tunnel. Computation, 10 (3), 34. https://doi.org/10.3390/computation10030034
  14. Benim, A. C., Diederich, M., Pfeiffelmann, B. (2018). Aerodynamic Optimization of Airfoil Profiles for Small Horizontal Axis Wind Turbines. Computation, 6 (2), 34. https://doi.org/10.3390/computation6020034
  15. Dykhuizen, R. C., Smith, M. F. (1998). Gas Dynamic Principles of Cold Spray. Journal of Thermal Spray Technology, 7 (2), 205–212. https://doi.org/10.1361/105996398770350945
  16. Grujicic, M., Zhao, C. L., Tong, C., DeRosset, W. S., Helfritch, D. (2004). Analysis of the impact velocity of powder particles in the cold-gas dynamic-spray process. Materials Science and Engineering: A, 368 (1-2), 222–230. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.312
  17. Maev, R., Leshchynsky, V. (2008). Introduction to Low Pressure Gas Dynamic Spray. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. https://doi.org/10.1002/9783527621903
  18. Ghajar, A. (2004). Compressible Flow. The Engineering Handbook, Second Edition. https://doi.org/10.1201/9781420039870.ch36
  19. Radulescu, L. F. (2018). A Concise Manual of Engineering Thermodynamics. World Scientific. https://doi.org/10.1142/11002
  20. Bharti, S., Dutta, V., Ghetiya, N. (2025). Optimization of friction stir processing parameters to produce AA2014/SiC surface composites using response surface methodology. Engineering Research Express, 7 (2), 025404. https://doi.org/10.1088/2631-8695/adc973
  21. Gabor, T., Akin, S., Jun, M. B.-G. (2024). Numerical studies on cold spray gas dynamics and powder flow in circular and rectangular nozzles. Journal of Manufacturing Processes, 114, 232–246. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.02.005
  22. Kamaraj, A., Zhou, W., Song, X. (2021). Computational Fluid Dynamics Simulation of Cold Spray Process for Particle Velocity Investigation. Proceedings of the 2nd International Conference on Advanced Surface Enhancement (INCASE 2021), 244–248. https://doi.org/10.1007/978-981-16-5763-4_54
  23. Wang, X., Yang, K., Zhou, W., Xia, Z. (2025). Numerical simulation study of nozzle flow field during cold spraying. Journal of Physics: Conference Series, 2951 (1), 012098. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2951/1/012098
  24. Palodhi, L., Ray, P. K. (2024). Critical Velocity for Cold-Sprayed Coatings. Transactions of the Indian Institute of Metals, 77 (9), 2277–2291. https://doi.org/10.1007/s12666-024-03360-6
  25. Hu, W. J., Tan, K., Markovych, S., Liu, X. L. (2021). Study of a Cold Spray Nozzle Throat on Acceleration Characteristics via CFD. Journal of Engineering Sciences, 8 (1), F19–F24. https://doi.org/10.21272/jes.2021.8(1).f3
  26. Li, H., Le, Y., Xu, H., Li, Z. (2025). Design of the Dual-Path Cold Spray Nozzle to Improve Deposition Efficiency. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 9 (5), 144. https://doi.org/10.3390/jmmp9050144
Розроблення підходу до розрахунку і оптимізації надзвукового сопла для холодного газодинамічного напилювання

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-31

Як цитувати

Шорінов, О. В., Савченко, Н. В., Шипуль, О. В., Зорік, І. В., & Нижник, С. М. (2025). Розроблення підходу до розрахунку і оптимізації надзвукового сопла для холодного газодинамічного напилювання. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(7 (138), 63–70. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.347028

Номер

Том 6 № 7 (138) (2025): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Oleksandr Shorinov, Nina Savchenko, Olga Shypul, Ihor Zorik, Serhii Nyzhnyk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.