毕业设计（论文）同轴送粉器数值模拟.doc

目 录1绪 论11.1前言11.2课题背景的与现状21.2.1国外研究情况31.2.2国内研究情况31.3送粉技术现状及存在的问题41.3.1送粉方式41.3.2目前送粉技术存在的问题62计算流体学的基本原理82.1流体力学基本方程82.1.1质量守恒定律82.1.2动量守恒方程92.1.3能量守恒方程113FLUENT软件介绍133.1FLUENT软件概述133.1.1网格划分技术133.1.2软件的灵活设置133.1.3软件的基本构成133.1.4计算类型及应用领域144同轴送粉喷嘴模型的建立164.1同轴送粉喷嘴模型164.2同轴送粉模拟计算前处理164.2.1同轴送粉喷嘴建模164.2.2划分网格174.2.3设定边界类型184.3同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤195汇聚过程的计算结果与分析205.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析205.2粉气同角时汇聚特性数值模拟205.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响205.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响245.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟275.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响275.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较31致 谢37参考文献38附 录39 1.绪论1.1.引言激光金属直接制造( LDMM) 技术是近十几年来兴起的一种先进制造技术, LDMM 技术采用高能量激光为热源, 以预置或同步供给金属粉末或金属丝为成形材料, 在金属基体上逐为金属零件。同轴送粉喷嘴是实现激光直接制造的层堆积而成形关键部件, 它的主要作用是把金属粉末均匀、稳定地输送到熔池中。在同轴送粉中, 由于粉末流与激光束同轴输出, 所以当粉末汇聚性差、汇聚焦距太小时( 粉末汇聚焦距是指喷嘴出口到粉末汇聚焦点的距离) , 在成形过程中粉末的反弹容易造成喷嘴堵粉而影响零件的成形质量, 国内外针对这一问题已做了大量的研究。Lin 7 研究了雷诺数为2000 时, 同轴送粉喷嘴内的气粉两相流动, 计算和分析了粉末流浓度的分布规律; 杨洗陈等 8 10 研究建立了同轴送粉喷嘴粉末流浓度场和温度场的理论模型, 开发了一种新型数字粒子图像测速( DPIV ) 系统来检测粉末流的浓度场分布, 并研究了金属粉末流和载流气体的动量和质量传输过程。本文应用气固两相流理论对同轴送粉喷嘴的粉末流场进行数值模拟，分析了送粉喷嘴锥角、粉末流速和保护气体流速对粉末流场汇聚特性的影响,及粉末流场参数的变化规律。1.2 课题背景与现状1.2.1 国外研究现状 近年来，采用快速成型制造设备最积极的地区是东亚（尤其是韩国、新加坡及我国的香港）。美国的各种快速成型制造系统基本上都是在美国国家自然科学基金会的资助下研发并实现商品化的。在Austin举行的2000年度快速成型制造年会上，许多大学和公司都推出了各自的成型系统。日本以东京大学为首的一批学术机构及企业单位主要集中于SLA工艺（因为该工艺成型精度最高）、树脂材料研究开发和快速成型制造技术的应用方面。澳大利亚建立了主要由快速成型制造领域的工业企业和学术机构参与的“欧洲快速原型制造行动（EARP）”项目。1.2.2 国内研究现状 为了加快快速成型制造技术在我国的发展，国家已组织实施了快速成型技术应用研究和推广服务工作。经过国内多所大学及公司几年的努力，已经研制开发与国外SLA、LOM、SLS、FDM工艺相类似的一批设备。这些设备都是多种技术的集成，主要是为了提高快速成型制造制作精度和可靠性，涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、激光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。但快速成型制造技术在国内的应用还不十分广泛，设备安装台数不多，目前仅限于大型企业。为改变此落后局面，西安交通大学已建立了中国快速成型制造网络站点，为我国快速成型制造制造商、快速成型制造技术应用服务中心、科研院校及广大用户提供信息服务。南方也已成立多家采用国外设备的快速成型制造服务中心，一些公司开始应用快速成型制造技术开发新产品。1.3 送粉技术现状及存在的问题1.3.1 送粉方式 （1）螺旋式送粉器：这种送粉器比较适合小颗粒粉末输送,工作中输送均匀，连续性和稳定性高，并且这种送粉方式，对粉末的干湿度没有要求，可以输送稍微潮湿的粉末。但是不适用于大颗粒粉末的输送，容易堵塞。由于是靠螺纹的间隙送粉，送粉量不能太小，所以很难实现精密激光熔覆加工中所要求的微量送粉，并且不适合输送不同材料的粉末。（2）转盘式送粉器：是基于气体动力学原理，通入的气体作为载流气体进行粉末输送，这种送粉器适合球形粉末的输送，并且不同材料的粉末可以混合输送，最小粉末输送率可1g/min。但是对其他形状的粉末输送效果不好，工作时送粉率不可控，并且对粉末的干燥程度要求高，稍微潮湿的粉末，会使送粉的连续性和均匀性降低。（3）刮板式送粉器：对于颗粒较大的粉末流动性好，易于传输。但在输送颗粒较小的粉末时，容易团聚，流动性较差，送粉的连续性和均匀性差，容易造成出粉管口堵塞。（4）毛细管送粉器：这种送粉器能输送的粉末直径大于0.4m。粉末输送率可以达到1g/min。能够在一定程度上实现精密熔覆中要求的微量送粉，但是它是靠自身的重力输送粉末，必须是干燥的粉末，否则容易堵塞，送粉的重复性和稳定性差，对于不规则的粉末输送，输送时在毛细管中容易堵，所以只适合于球形粉末的输送。（5）鼓轮式送粉器：其工作原理是基于重力场，对于颗粒比较大的粉末，因其流动性好能够连续送粉，并且机构简单。由于它是通过送粉轮上的粉勺输送粉末，对粉末的干燥度要求高，微湿的粉末和超细粉末容易堵塞粉勺，使送粉不稳定，精度降低。（6）电磁振动送粉器：是基于机械力学和气体动力学原理工作的，反应灵敏，由于是用气体做为载流体将粉末输出，所以对粉末的干燥程度要求高，微湿粉末会造成送粉的重复性差。并且对于超细粉末的输送不稳定，在出粉管处超细粉末容易团聚，发生堵塞。（7）沸腾式送粉器：是基于气固两相流原理设计的。工作时，载流气体在气体流化区域直接将粉末吹出送至激光熔池。但同样要求所送粉末干燥。沸腾式送粉器对于粉末的流化和吹送都是通过气体来完成的，所以避免了前面螺旋式，刮板式等粉末与送粉器元件的机械摩擦，对粉末的粒度和形状有较宽的适用范围。1.3.2 目前送粉技术存在的问题 随着激光技术的发展，经过多种尝试，国内外已经研制出很多类型的送粉器。一般情况下，较大尺寸的粉末(颗粒直径>100m)流动性较好，易于传送，而颗粒直径较小的粉末(颗粒直径<1m)容易聚团和粘滞，流动性较差，通常传送这样尺寸的粉末是非常困难的17，所以，在同步送粉器中，流动性差是超细粉末输送的难点，由于细粉末的聚团和粘滞，而导致送粉不连续和送粉量不均匀，得到的熔覆层厚度不均匀、表面质量差、严重精密熔覆和微成型的质量。比如对于纳米相粉这类超细粉末在输送中容易发生团聚，目前的送粉器还没有得到很好的解决。所以，对于超细粉末的输送和实现微量输送将是以后送粉器研究的重点。并且对于送粉器综合化的研究，将更有利于实现激光熔覆加工成套设备的集成化和一体化。2.计算流体学的基本原理 2.1 流体力学基本方程流体在流动过程中遵循机械运动的普遍规律:质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，由此可导出流体力学最基本的连续方程、动量守恒方程（Navier-Stokes方程）和能量守恒方程。另外对于不同特点的流体，可以根据热力学状态参数（压力、密度、温度等）之间的关系，推出能反映这种关系的状态方程，这种关系与相应的单值条件构成了求解未知量的封闭方程组。2.1.1 质量守恒定律 对固体在空间位置的微元体（如图2.1），质量守恒定律可以表述为：单位时间内微元体中流体质量的增加=同一时间内流入该微元体的净质量由此可得质量守恒方程（又称连续性方程，continuity equation）: （2.1）上式中的后三项是质量流密度（通量）（单位时间内通过单位面积的流体质量）的散度。用矢量符号可写为： （2.2）对于不可压缩流体，密度为常数，连续性方程简化为： （2.3）图2.1 空间微元体2.1.2 动量守恒定律 对微元体图2.1，应用Newton第二定律在流体流动中的表述：微元体中流体动量的增加率 = 作用在微元体上的合力并引入Newton切应力公式及Stokes的表达式，可得三个速度分量的动量方程：u 动量方程： (2.4a)v 动量方程： (2.4b)w 动量方程： (2.4c)其中：流体的动力黏度；为流体的第二分子黏度，对气体可取-2/3。在数值传热学中常将上述三式等号右边的分子粘性作用项作如下变化（以u 动量方程为例）： (2.5)据此，将上述动量方程写成以下矢量形式（忽略体积力）： (2.6a) (2.6b) (2.6c)其中：为动量方程的广义源项，对照式(2.5)可得其表达式： (2.7a) (2.7b) (2.7c)对于黏度为常数的不可压缩流体，Su = Sv = Sw = 0，则式(2.6)简化为： (2.8a) (2.8b) (2.8c)其中：为流体的运动黏度(m2/s)。式(2.6)到(2.8)为Navier-Stokes方程。2.1.3 能量守恒方程 对微元体（图2.1所示），应用能量守恒定律的表述：微元体内热力学能的增加率= 进入微元体的净热流量 + 体积力与表面力对微元体做的功在引入导热Fourier定律，可得用流体比焓h及温度T表示的能量方程： （2.9）其中：流体的导热系数；流体的内热源；由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数（dissipation function），其计算式如下：（2.10）式(2.9)中，pdivU系表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略；对理想气体、液体及固体，可以取，且可取为常数，并把耗散函数纳入到源项（ = + ），可得： （2.11）对不可压缩流体： （2.12）式(2.2)，(2.4a)，(2.4b)，(2.4c)及(2.11)包含6个未知量：u，v，w，p，T，还需要补充一个联系p，T，的状态方程，方程组才能封闭： （2.13）对于理想气体： （2.14） 3.FLUENT软件介绍3.1 FLUENT软件概述3.1.1 网格划分技术在使用商用CFD软件的工作中，大约有80%的时间是花费在网格划分上的，可以说网格划分的能力高低是决定工作效率的主要因素之一。FLUENT软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便于网络的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便。FLUENT划分网格的途径有两种：一种是用FLUENT提供的专用网格软件GAMBIT进行网格划分，另一种则是由其他的CAD软件完成造型工作，再导入GAMBIT中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与FLUENT兼容的网格用于FLUENT计算。可以用于造型工作的CAD软件包括I-DEAS、Pro/E、Solidworks、Solidedge等。除了GAMBIT之外，可以生成FLUENT网格的网格软件还有ICEMCFD、GridGen等等。FLUENT可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔形网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。3.1.2 软件的灵活设置 FLUENT的内核部分是用C语言写成的，软件界面则是用LISP语言的一个分支Scheme语言写成的。因为C语言在计算机的分配使用上非常灵活，所以FLUENT也在这方面拥有很大的灵活性，并可以在“客户/服务器”模式下进行计算。而LISP类型的语言允许高级用户通过编制自定义函数改变软件的外观，使用户在使用中可以根据自己的喜好定制界面，这点是FLUENT软件的一个显著特色。3.1.3 软件的基本构成FLUENT软件包中包括以下几个软件：（1）FLUENT求解器FLUENT软件的核心，所有计算在此完成。（2）prePDFFLUENT用PDF模型计算燃烧过程的预处理软件。（3）GAMBITFLUENT提供的网格生成软件。（4）TFRIDFLUENT用于从表面网格生成空间网格的软件。（5）过滤器或者叫翻译器，可以将其他CAD/CAE软件生成的网格文件变成能被FLUENT识别的网格文件。GAMBIT1 设置几何参数其他 CAD/CAE软件FLUENT1 网格输入/使用；2 物理模型；3 边界条件；4 物质属性；5 计算；6 后处理TGRID1 二维三角网格2 三维四面体网格prePDF1 PDF计算2 对照表格上述几种软件之间的关系如下图所示：图3.1 FULUENT软件各组件之间的关系3.1.4 计算类型及应用领域FLUENT可以计算的流动类型包括：（1）任意复杂外形的二维/三维流动。（2）可压、不可压流。（3）定常、非定常流。（4）无粘流、层流和湍流。（5）牛顿、非牛顿流体流动。（1）对流传热，包括自然对流和强迫对流。（2）热传导和对流传热相耦合的传热计算。（3）辐射传热计算。（4）惯性（静止）坐标、非惯性（旋转）坐标中的流场计算。（5）多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混合面等问题。（6）化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。（7）源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式。（8）颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续相相耦合的计算。（9）多空介质流动计算。（10）用一维模型计算风扇和换热器的性能。（11）两相流，包括带空穴流动计算。（12）复杂表面问题中带自由面的计算。总而言之，对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说，FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动领域和模型，FLUENT软件甚至还提供了其他几种解算器，其中包括NEKTON、FIDAP、几何模型。4.同轴送粉喷嘴模型的建立4.1 同轴送粉喷嘴模型 4.2 同轴送粉模型计算前处理4.2.1 同轴送粉喷嘴建模通过Gambit建模软件建立一个长方形作为喷嘴模型的简化模型，简化模型简单而易于计算。首先打开Gambit软件如图 命令按钮的步骤可以描述如下：GEOMETRY -> FACE -> RECTGANLE输入如下：在矩形上做（-20,0），（20,0）两点。通过按钮将两点连成直线。然后通过GEOMETRY ->FACE将矩形分裂成两部分再在矩形上做（-5,25），（5,25），（-5.8,25），（5.8,25），（-9.35,25），（9.35,25），（-9.95,25），（9.95,25）八个分裂点，以此做出四个喷口，模型建立完成。4.2.2 划分网格划分网格步骤为先划分线网格再划分面网格，首先划分四个喷嘴的线网格操作步骤为：OPERATION->MESH->EDGE划分两个面网格步骤为：OPERATION->MESH ->FACE4.2.3 设定边界类型划分边界条件操作不住为：OPERATION ->ZONES 本模型边界条件有5个，两个气体进口速度，两个粉末进口速度，还有一个出口压力。4.3 同轴送粉喷嘴的模拟计算步骤计算工况分为以下几种：粉气同角时汇聚特性数值模拟1、 两腔锥角变化对汇聚性能影响，两腔的锥角角度同为60°、65°、70°、75°，粉腔的进口速度为2m/s，气腔的进口速度为7.5m/s时粉末的汇聚性能的比较。2、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取以上模拟汇聚特性较好的两腔的锥角角度时，考察气腔的进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能。粉气非同角时汇聚特性数值模拟1、气腔进口速度对汇聚性能影响，选取粉腔的锥角角度为60°、进口速度为2m/s，气腔的锥角角度为90°、保护气进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能的比较。2、粉腔锥角变化的汇聚性能比较，选取气腔进口速度为7.5m/s时，粉腔的锥角角度分别为60°、65°、70°、75°，粉末的汇聚性能模拟。5汇聚过程的计算结果与分析5.1同轴送粉的汇聚效果的总体分析根据同轴送粉汇聚过程的分析可知，影响同轴送粉汇聚性能和汇聚焦距的因素有很多，主要有粉腔间隙、粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度等。在其他工艺参数一定的条件下, 粉腔间隙越小, 粉末的汇聚性越好; 粉腔锥角越大, 粉末的汇聚焦距越大,有利于零件的成形。本论文重点研究了粉腔锥角、气腔锥角和气腔进口速度对粉末汇聚的影响。5.2粉气同角时汇聚特性数值模拟5.2.1两腔锥角变化对汇聚性能影响以下是两腔的锥角角度同为60°、65°、70°、75°，粉腔的进口速度为2m/s，气腔的进口速度为7.5m/s时粉末的汇聚性能的比较，结果见图5.1至5.8。图5.1 气腔和粉腔锥角角度均为60°时，粉末汇聚的体积百分数图5.2 气腔和粉腔锥角角度均为60°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.3 气腔和粉腔锥角角度均为65°时，粉末汇聚的体积百分数图5.4 气腔和粉腔锥角角度均为65°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.5 气腔和粉腔锥角角度均为70°时，粉末汇聚的体积百分数图5.6气腔和粉腔锥角角度均为70°时，粉末汇聚的速度矢量图, 图5.7气腔和粉腔锥角角度均为75°时，粉末汇聚的体积百分数图5.8 气腔和粉腔锥角角度均为75°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.1，图5.3所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%以上，图5.7所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%95%之间，图5.5所示表明粉末汇聚的体积百分数在之间9090%，图5.7所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%95%之间。图5.1与5.3比较，由汇聚点到喷嘴距离可以看出5.1要比5.3汇聚性略好。由此可见，当粉腔和气腔的锥角角度均为60°时，粉末的汇聚性能较好。5.2.2气腔进口速度对汇聚性能影响选取以上模拟汇聚特性较好的两腔的锥角角度为60°时，考察气腔的进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能。结果见图5.9至5.14。图5.9两腔锥角相同而改变气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.10两腔锥角相同而改变气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.11两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.12两腔锥角相同而改变气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.13两腔锥角相同而改变气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.14两腔锥角相同而改变气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.9所示表明粉末汇聚的体积百分数在90%左右，图5.11所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%100%之间，图5.13所示表明粉末汇聚的体积百分数在70%80%之间。由此可见，当保护气进口速度为7.5m/s时，粉末的汇聚性能较好。由流场模拟结果可知，气腔速度过大时，汇聚点附近气流漩涡加强，漩涡会携带粉末飞出，不仅影响汇聚，而且使粉末浪费。5.3粉气非同角时汇聚特性数值模拟5.3.1 气腔进口速度对汇聚性能影响选取粉腔的锥角角度为60°、进口速度为2m/s，气腔的锥角角度为90°、保护气进口速度分别为5m/s、7.5m/s、10m/s时粉末的汇聚性能的比较，模拟结果见图5.15至5.20。图5.15 气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的体积百分数 图5.16气腔进口速度为5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.17气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的体积百分数 图5.18气腔进口速度为7.5m/s时，粉末汇聚的速度矢量图图5.19气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的体积百分数图5.20气腔进口速度为10m/s时，粉末汇聚的速度矢量图 图5.15和图5.17所示表明粉末汇聚的最高体积百分数均在90%95%之间，图5.19所示表明粉末汇聚的最高体积百分数在80%85%之间。由此可见，当保护气进口速度为7.5m/s时，粉末的汇聚性能较好。5.3.2粉腔锥角变化的汇聚性能比较选取气腔进口速度为7.5m/s时，粉腔的锥角角度分别为60°、65°、70°、75°，粉末的汇聚性能模拟结果见图5.21至5.28。图5.21粉腔锥角角度为60°时，粉末汇聚的体积百分数图5.22粉腔锥角角度为60°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.23粉腔锥角角度为65°时，粉末汇聚的体积百分数图5.24粉腔锥角角度为65°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.25粉腔锥角角度为70°时，粉末汇聚的体积百分数图5.26粉腔锥角角度为70°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.27粉腔锥角角度为75°时，粉末汇聚的体积百分数图5.28粉腔锥角角度为75°时，粉末汇聚的速度矢量图图5.21所示表明粉末汇聚的体积百分数在85%90%之间，图5.23所示表明粉末汇聚的体积百分数在95%以上，图5.25和图5.27所示表明粉末汇聚的体积百分数均在80%85%之间。由此可见，当粉腔锥角角度为65°时，粉末的汇聚性能较好。致 谢本论文是在徐丽导师的亲切关怀和悉心指导下而完成的。徐老师的严谨的教学态度，高尚的治学精神和精益求精的工作作风，深深地感染着和激励着我。无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，徐老师都给予了我仔细认真的教诲和细致无微的帮助，在此谨向徐老师致以我最诚挚的谢意和最崇高的敬意。在成文过程中，我还得到了来自同学的宝贵建议，同时还得到了朋友的支持和帮助，在此一并致以真诚的谢意。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！新的生活即将开始，前进的号角已经吹响，我会继续努力地学习，生活和工作，以期用自己的微薄之力来回报母校的培育之情，并为社会的进步做出新的贡献！参考文献1.张慧杰,胡国清,刘文艳,林忠华.快速原型研究综述J.厦门大学机电系.20042.李永唐,巨丽,杜诗文.快速原型制造技术与进展J.太原重型机械学院学报,2002:255-2583.潘东杰等.快速成型-先进的现代制造技术J.铸造技术.1999,4:37-394. 王秀峰等. 快速原型制造技术.中国轻工业出版社，20015. 胡晓冬等. 金属直接成型技术的发展与展望.工具技术，2001（10）：3-66. 王从军等. SLS成型件的精度分析J. 华中科技大学学报，2001（6）：77-79附 录英文文献Numerical simulation of powder flow field on coaxial powder nozzle in laser metal direct manufacturing Anfeng Zhang & Dichen Li & Zhimin Zhou &Gangxian Zhu & Bingheng LuReceived: 23 October 2009 / Accepted: 5 April 2010 / Published online: 25 April 2010# Springer-Verlag London Limited 2010Abstract In the laser metal direct manufacturing, gassolid two-phase flow theory is adopted to simulate the flow field of powders in coaxial nozzle to fabricate complex parts of compact structure. The separate model in FLUENT is used to evaluate the concentration distribution rule and the focusing characteristics of the powder flow field. The results indicate that the focal concentrations of the coaxialpowder nozzle in radial direction and axial direction are approximately obeyed by the Gaussian distribution. When the cone angle of coaxial nozzle is invariable, the cone ring gap is smaller, the focal point concentration in the powder flow field is bigger; the focus radius is smaller, the focal distance is also smaller, and the gathering characteristic is better. When the cone ring gap of the coaxial powdernozzle is invariable, the cone angle getting too big or too small is harmful for powder gathering. When other conditions are invariable, extreme protective gas velocity (too large or too small) is harmful for powder gathering. When the protective gas velocity approaches to 6 m/s, the gathering characteristic of the coaxial nozzle achieves its best performance.Keywords Laser metal direct manufacturing . Coaxial nozzle . Numerical simulation . Flow field1 IntroductionLaser metal direct manufacturing (LMDM) technology is an advanced manufacturing technology arising over the last decade 13, in which high-energy beam such as laser or electron beam is often used as its heat source, and metallic parts can be fabricated layer by layer on the basis of rapid prototype technology. The coaxial powder nozzle is one of the key technologies in LMDM, which feeds the metal powder uniformly and steadily into the melting pool mainly depending on kinetic energy of the gas 4. Powder and laser beam export simultaneously in coaxial nozzle, which can disperse the metal powder as circularity and then converge into the melting pool, and overcome the fault that side powder feeding could be only adopted in linear movement rather than complex track. Furthermore, this nozzle can fit the variation of the scanning direction well, and the isotropy property can be achieved in LMDM technology.Much research work has been carried out in this field. Mazumder et al. adopted the closed-loop control to improve the manufacturing accuracy in LMDM process 5. Smurov applied the direct metal deposition technology to fabricate functionally graded object from metallic powder 6. Costa et al. established a thermo-kinetic LPD model coupling finite element heat transfer calculations with transformation kinetics and quantitative property structure relationships to the study of the influence of substrate size and idle time on the microstructure and hardness of a ten-layer AISI420 steel 7. Das reviewed the mechanism of oxidation, atmosphere control, wetting, epitaxial solidification, metal vaporization under vacuum, and oxide purification to understand these physical mechanisms for the design of direct selective laser sintering machines, process control, and materials-specific selective laser sintering process development 8. Wen et al. presented a comprehensive model to predict the powder flow structure and laser particle heating process in terms of multi-particle behavior and reveal the characteristics of powder supply for the coaxial deposition process 9. Miranda et al. used the high-power fiber lasers due to the flexibility in beam position and manipulation to control surface finishing and the smoothness of the part 10. More attention will be paid on developing the applied temperature field model in direct laser fabrication, which is required to describe not only complicated non-linear phenomenon involved with heat conduction, convection and diffusion, heat radiation and phase change problems, but also give a 3D visual-expressing method to exhibit the feature of material additive fabrication 11, 12.The effect of cone angle, cone ring gap, and shie