Introducción a los flujos de rayos de Jet y Spray en la fabricación

Los flujos de chorro y pulverización son centrales a numerosos procesos de fabricación donde se acelera un flujo de fluido a través de una boquilla e interactúa con un sustrato o entorno ambiente. Estos flujos se caracterizan por altas velocidades, eddies turbulentos y, en muchos casos, la ruptura de un jet líquido continuo en gotas dispersas.

Física de Jet y Flujos de Spray

Los flujos de chorro y pulverización implican una combinación de fenómenos de dinámica de fluidos:

  • Formación y estabilidad de la boquilla: Un flujo líquido de alta velocidad o de gas sale de una boquilla. El chorro puede permanecer laminar, la transición a la turbulencia, o romper en gotas debido a las inestabilidades (Rayleigh-Plateau, rayas aerodinámicas, etc.).
  • Atomización: La ruptura de un chorro líquido en gotas se ve impulsada por la tensión superficial, las fuerzas viscosas y la arrastre aerodinámica. La atomización primaria se produce cerca de la boquilla, mientras que la ruptura secundaria ocurre más abajo.
  • Transporte y dispersión de gotas: Una vez formados, las gotas son transportadas por la fase de gas, sujetas a arrastre, gravedad, turbulencia, y a veces evaporación o coalecencia.
  • Impingement and deposition: Las gotas impactan en la superficie de destino, se propagan, rebotan o recubren la superficie dependiendo de la energía de impacto y las propiedades materiales.
  • Interacciones multifase: Las fases de líquido y gas intercambian impulso, masa y energía. La evaporación o condensación pueden ocurrir en el enfriamiento de pulverización o pintura con disolventes volátiles.

Simulando estos procesos requiere resolver las ecuaciones de Navier-Stokes (posiblemente con transferencia de calor) junto con un modelo multifase y un modelo de turbulencia. COMSOL Multiphysics® ofrece varias interfaces que pueden ser acopladas para capturar esta física con precisión.

Módulos CFD COMSOL para simulación de Jet y Spray

COMSOL Multiphysics® proporciona interfaces de física dedicadas bajo el Módulo CFD y el Multiphase Flow Module.

  • Flujo de tubo de tubo: Para los chorros turbulentos básicos sin cambio de fase (utilizados para los chorros de gas o los chorros líquidos sin ruptura).
  • ]Dos pasos de flujo, nivel o campo de fase: Para el seguimiento de interfaces agudas entre fluidos inmiscibles, adecuados para la formación de chorro y goteo en las inmediaciones de la boquilla.
  • Modo de dos fases, de mezcla: Para flujos dispersos donde se distribuye una fase en la otra (por ejemplo, spray con fracción de volumen moderado).
  • Módulo de rastreo de partículas: Para modelar gotas discretas como partículas sujetas a fuerzas, permitiendo una simulación eficiente de pulverizadores diluidos sobre grandes dominios.
  • Interacción de fiordo-incrustación (FSI): Cuando la deformación o vibración de la boquilla afecta al chorro (por ejemplo, en la impresión de inyección de tinta).

Elegir el modelo adecuado depende del régimen físico, la escala de interés y los recursos computacionales.

Selección de un modelo de Turbulencia

La turbulencia está casi siempre presente en flujos de chorro y spray. COMSOL ofrece varios modelos Navier-Stokes (RANS) de Reynolds y grandes capacidades de simulación de Eddy (LES) (a través del módulo CFD). Para simulaciones de fabricación, los modelos RANS son estándar:

  • k] modelo ε:] Ampliamente utilizado para los flujos de derrame libre como los jets. Se realiza bien para la mezcla de campo lejano, pero puede predecir la propagación para flujos de cableado fuertes.
  • k]- Estándar: Combina la robustez de k]- Está cerca de las paredes con k]-ε en el esquilamiento libre. Bien por los chorros y los flujos de pared.
  • LES: Captura estructuras de eddy transitorias y puede predecir mezclas de gran escala y dispersión de gotas, pero a un costo computacional más alto. Adecuado para estudios de atomización de grado de investigación.

Para los flujos de dos fases, los modelos de turbulencia se pueden aplicar a la fase continua, mientras que la fase dispersa puede requerir modelos de seguimiento estocástico (pasajes de raras) para dar cuenta de los efectos de turbulencia en las gotas.

Configuración de una simulación de Jet y Spray en COMSOL

Un flujo de trabajo típico implica la creación de geometría, definición de física, meshing, resolve y post-procesamiento. A continuación se presentan pasos detallados para una simulación de recubrimiento de pulverización.

1. Geometría y definición de boquilla

Defina la geometría de la boquilla (convergente, divergente o recto) y el dominio computacional que rodea el jet. Para boquillas axisymmétricas, utilice un modelo axisymmétrico 2D para reducir la computación; para boquillas no emétricas o múltiples, se requiere un dominio 3D. El dominio debe extender bastante abajo para capturar la propagación y evaporación.

  • Int:] Establecer velocidad o caudal de masa en la salida de la boquilla, junto con intensidad de turbulencia y escala de longitud. Para un chorro líquido, especifique la fracción de fase (1 para líquido).
  • Outlet:] Salida de presión o límite abierto con reflujo suprimido.
  • ] No-slip para superficies sólidas; deslizamiento puede ser utilizado para paredes lejos del chorro.
  • Simetría o eje:] Uso para modelos 2D.

Para simulaciones multifase, la condición de entrada debe incluir la composición de fase. Para la inyección de pulverización (Tracing de partículas), definir los puntos de inyección, distribución de tamaño de gota (por ejemplo, Rosin-Rammler), velocidad inicial y propiedades materiales.

2. Propiedades fluidas y modelos de materiales

Define la densidad, la viscosidad, la tensión superficial y (si es aplicable) la presión de vapor y el calor latente. Las propiedades dependientes de la temperatura son importantes para el enfriamiento de pulverización o el recubrimiento caliente. Para fluidos no neontonianos (pinturas, manchas), el modelo Carreau o la garra de poder se puede utilizar en la sección de propiedades del fluido.

3. Generación de malla

El pico es crítico para capturar la ruptura de chorro y la formación de gotas. Use una malla fina cerca de la salida de la boquilla donde los gradientes son más altos. Para los métodos de seguimiento de la interfaz (Lista Set/Phase Field), la malla debe resolver el espesor de la interfaz (normalmente 3-5 células a través de la interfaz).

4. Configuración de Solver

Los flujos de pulverización y de pulverización son a menudo transitorios. Usar un solucionador dependiente del tiempo con un paso pequeño para capturar dinámicas de ruptura. El tiempo de pulverización implícito de COMSOL (BDF o alfa generalizada) es robusto para problemas rígidos. Para los jets de estado estable (por ejemplo, un jet continuo de gas sin ruptura), un solucionador estacionario puede ser utilizado con un enfoque de pulsión de pulida.

5. Enfoques de modelado multifase

Las diferentes estrategias de modelado se aplican dependiendo de la densidad del pulverizador:

  • Eulerian-Eulerian (Modelo de dos fases:] Trata tanto líquido como gas como interpenetrating continua. Mejor para los sprays densos donde las gotas interactúan y la fracción de volumen es √0.1%. Requiere modelos de cierre para las fuerzas interfase (dr, ascensor, masa virtual).
  • неритенитениминиминиминиминими (tracción de partículas): se realiza / seglaringe gotitas individuales como partículas. Apto para rociadores diluidos ( fracción de volumen нетеренныме. утереныменыменыменыменыменыменыменымени ныме ныменымени ныме ныме ныменыме ныменыменыменыменыме ныменыменыменыме ныменыменыме ныменыме ныме ныменыме ныме нымени ни ныменыме ныме
  • Volumen de Fluid (VOF): Captura la interfaz exacta de gas líquido y es ideal para la atomización primaria cerca de la boquilla. Sin embargo, requiere una alta resolución de malla y es computacionalmente caro para los conos de aerosol enteros. A menudo se utiliza en un pequeño dominio cerca de la boquilla, con las gotas resultantes se transfieren a un modelo Lagrangian para el campo lejano.

COMSOL implementa los métodos de nivel y campo de fase para las capacidades similares a las VOF, mientras que el rastreo de partículas está cubierto por el módulo de rastreo de partículas. Para acoplamiento, funciones de enlace en vivo o transferencia manual de datos pueden ser empleados.

Análisis de resultados de simulación

El procesamiento posterior en COMSOL proporciona una visión rica:

  • Campos de velocidad y turbulencia: Visualiza el núcleo del chorro, ángulo de propagación e intensidad de turbulencia. Extrae los perfiles radiales en varias ubicaciones axiales.
  • Distribución de la planta: Para VOF/Lível Set, compense la fracción del volumen líquido para ver la forma del jet y los puntos de ruptura. Para Lagrangian, las posiciones de partículas de trama coloreadas por tamaño o velocidad.
  • Distribución del tamaño de goteo: Usar datos de partículas para calcular histogramas; medidas estadísticas como el diámetro medio de Sauter (SMD) son fundamentales para la calidad del revestimiento.
  • Formación de película de agua: Cuando las gotitas impactan una pared, el espesor de la película de pista y la cobertura. La interfaz de flujo de película de COMSOL se puede unir para modelar películas líquidas finas.
  • Transferencia de calor y masa: Para el enfriamiento de pulverización, evalúe la distribución de temperatura en la superficie de destino y la tasa de evaporación de gotas.

Se pueden generar informes y animaciones para comunicar los hallazgos a los equipos de diseño.

Aplicaciones en procesos de fabricación

Simulaciones de Jet y spray en COMSOL abordan una amplia gama de necesidades industriales:

Coating and Pintura

En la pintura de pulverización, la uniformidad del espesor del revestimiento es primordial. Las simulaciones ayudan a optimizar la geometría de la boquilla, la presión del aire de atomización y la distancia de desmontable. Al modelar el transporte de gotas y el impingimiento de pared, los ingenieros pueden reducir la sobresorción (desperdicio material) y lograr el acabado deseado.

Enfriamiento de la radiación

El enfriamiento de la radiación se utiliza en el enfriamiento de metales, la gestión térmica electrónica y el templado de vidrio. La eficacia depende del tamaño de goteo, la velocidad y la humedad superficial. Las simulaciones COMSOL pueden combinar flujo de fluidos, transferencia de calor y cambio de fase para predecir las tasas de enfriamiento y evitar tensiones térmicas.

Material de dispensación e impresión 3D

La impresión de inyección de tinta y la fabricación aditiva utilizan el chorro controlado para depósitos. Las simulaciones ayudan a lograr una formación estable de gotas (sin gotitas de satélite), colocación precisa y tamaño consistente. El flujo de dos fases de COMSOL con ángulo de contacto dinámico permite modelar el impacto de gotas y fundirse en un sustrato en movimiento. Para la impresión de aerosol o aerosol, el seguimiento de partículas puede predecir la exactitud de la deposición.

Atomización para la combustión y secado de la radiografía

Aunque es menos común en la fabricación, la atomización de pulverización en procesos químicos (por ejemplo, secado de pulverización de polvos) se beneficia de la simulación CFD. COMSOL puede modelar la interacción de múltiples jets y la cinética de secado, asegurando la calidad del producto. El enfoque lagrangiano junto con el calor y la transferencia de masa se utiliza para predecir el contenido de humedad de gotitas.

Limpieza y Blasting Abrasivo

Los chorros líquidos de alta velocidad se utilizan para la limpieza o el corte de superficie. La simulación ayuda a determinar la presión del chorro y la distancia de desmontaje necesaria para eliminar contaminantes sin dañar el sustrato. Para los chorros de agua abrasivos, las partículas agregadas al flujo pueden ser modeladas a través de Particle Tracing con modelos de erosión.

Desafíos y mejores prácticas

Los flujos simulando de chorro y spray vienen con dificultades:

  • ] Costo computacional: La solución de la atomización primaria requiere mallas finas y pequeños pasos de tiempo. Usando modelos híbridos (VOF cerca de la boquilla, la grangian downstream) o modelos avanzados de pared LES pueden reducir el costo.
  • ]Modelación:] Los modelos de ruptura primarios y secundarios no son totalmente predictivos. Los ingenieros suelen confiar en correlaciones empíricas para la distribución del tamaño de goteo como entrada. COMSOL permite expresiones definidas por el usuario para parámetros de inyección.
  • Interacciones entre turbulencias y interfaces: En simulaciones VOF, los modelos de turbulencia pueden instalar interfaces de sobra. Los enfoques de solución de escala (LES) son superiores pero más caros.
  • Sensibilidad de las condiciones: El flujo interno de la boquilla influye en el perfil de salida del jet. Incluido el interior de la boquilla en la simulación puede mejorar la precisión.
  • Validación:] Compara siempre los resultados de simulación con datos experimentales (por ejemplo, fotografía de alta velocidad, anémonía Doppler de fase) para calibrar los modelos.

Ejemplo: Simulación de una boquilla de pintura

Para ilustrar, considere una típica boquilla de pulverización de pintura asistida por el aire. El modelo incluye un canal líquido interno y un anulus de aire exterior. Utilizando una geometría axismétrica 2D, establecemos la velocidad de entrada y la velocidad de entrada de aire líquida, tanto con la intensidad de turbulencia 5% como la escala de longitud 1 mm.

Recursos externos

Para más detalles, consulte la siguiente documentación COMSOL y los recursos conexos:

Conclusión

Simulación de flujos de chorro y spray en COMSOL Multiphysics® proporciona a los ingenieros de fabricación una herramienta potente para optimizar procesos que van desde el recubrimiento hasta el enfriamiento de pulverización. Al seleccionar modelos adecuados de turbulencia y multifasa, construir cuidadosamente la malla y validar contra experimentos, se pueden obtener predicciones significativas del tamaño de gotitas, el patrón de pulverización y la deposición.