通过建立同轴喷嘴和粉末输运过程的数值模型，采用数值仿真模拟的方式研究了不同工艺参数下，同轴喷嘴在垂直和倾斜使用工况下粉末汇聚性的变化规律。结果表明：粉末聚焦处的粉末浓度随载粉气速度的增加而降低，而保护气速度对粉末浓度影响较小；在载粉气流量为8 L/min，保护气流量为20 L/min，送粉量为15.8 g/min时，相比于同轴喷嘴垂直使用，倾斜使用条件下粉末的聚焦高度由19 mm升高到21 mm，焦点直径由3.7 mm增大到4.2 mm；同轴喷嘴垂直使用时粉末分布的均匀性更好；数值模拟结果与试验结果吻合良好，可以准确反映不同送粉方式中粉末的输运特性。

建立了激光熔覆同轴送粉喷嘴的载气-粉末两相流场计算模型，三维模型考虑了进粉管和粉末腔对粉末输送的影响。分析了三维状态的载气分布情况，揭示了粉末在不同粉末腔结构的同轴送粉喷嘴内碰撞与运动规律，以及粉末喷射汇聚情况;针对可调式同轴送粉喷嘴的调节性能进行了分析，依据分析设计了一种可调式同轴送粉喷嘴。计算结果表明，改变粉腔直径、高度及内壁倾角长度对粉末离开喷嘴后的发散程度略有影响，对粉末汇聚稳定后的浓度和粉末焦点半径影响较小;调节同轴送粉喷嘴的锥体相对位置，可以实现粉末焦点相对激光束的垂直位置调节。

应用FLUENT软件的离散相模块建立了激光熔覆中气体-粉末流的二维模型，研究了保护气和输送气流量及送粉量对粉末流浓度场和速度场的分布规律的影响以及对粉末流发散角和焦点的影响。计算结果表明：随着输送气流量的增大，粉末流速度增加，粉末流发散角逐渐减小；送粉量增加，焦点略微下移，焦点处粉末流浓度值增大。在相同的工艺参数下，使用单反相机拍摄粉末流分布，结果表明试验与计算结果基本吻合。

激光立体成形(LSF)技术是一项基于同步送粉激光熔覆技术的先进增材制造技术。粉末流的输送对于沉积层的形成至关重要。通过建立载粉气流的湍流模型并基于粉末颗粒在气体湍流中的运动分析，采用数值模拟方法建立粉末流输送的数学模型，并利用Fluent软件进行求解，从而获得粉末流的质量浓度分布。将实验测量结果与模拟计算结果进行对比分析。结果表明，计算结果与实验测量结果比较吻合。对比粉末粒径范围为50~240 μm的粉末流和粉末粒径范围为65~75 μm的粉末流的模拟结果发现，在相同送粉工艺条件下，粒径分布范围不同则粉末流颗粒质量浓度有明显差异。

在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量。基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程。用Fluent软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响。为了验证该模型的准确度,利用CCD比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布。结果表明,数值模拟与CCD检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义。

在激光同轴送粉中，存在激光能量的吸收和衰减过程。利用Beer-Lambert定律，建立了同轴送粉中气粉两相流的温度场理论计算模型。依据所建立模型数值模拟研究了激光熔覆中的各种参数对温度场变化的影响，如激光功率、送粉量和送气量等。为验证计算模型的有效性，采用CCD实验测量粉末流温度值，从粉末流温度场分布图中可以看到，实验结果与理论计算结果十分接近。研究粉末流温度场分布情况对提高激光熔覆质量有很大帮助。

建立了激光熔覆中由粉嘴输出的保护气体-金属粉末两相流场计算模型,应用FLUENT软件进行计算。该模型中考虑了两相流中动量和质量的传输。分析了金属粉末流场的水平方向和中心线上的速度分布规律,以及粉嘴内外粉末流的速度矢量分布规律。计算结果表明,中心线处粉末流速度分布先呈现微小的增大减小过程,而后单调递增,大约从粉嘴下方100 mm后呈线性递增; 速度水平分布先在中心线附近达到最大而后在径向距离6～11 mm区间内线性递减至零。在相同的工艺参数下,应用数字粒子图像测速(DPIV)技术对同一流场进行检测,计算值和测量值吻合较好。结果表明,所建立的保护气体-金属粉末流速度场模型是可靠的,该模型对掌握流场参数分布和进一步指导粉嘴尺寸设计有一定的参考作用。

在基于激光同轴送粉的激光制造中，金属粉末流场的分布与特性对制造质量具有重要影响。针对激光同轴送粉金属粉末流速度场提出一种新的分级式搜索算法。通过CCD相机直接记录粒子图像的运动序列，应用新算法编制的粉末流场照片图像处理程序对数字化阵列进行快速分析处理，用分级搜索的方法找到粒子图像上相关度最大的两个小区域，用它们之间的位移除以两次拍照的时间间隔，得到该小区域的速度矢量，就可得到粉末流的速度场。本算法比传统算法减少了运算时间，提高了分析效率。