Introduction aux flux de jets et de pulvérisations dans la fabrication

Les flux de jet et de pulvérisation sont au cœur de nombreux processus de fabrication où un flux de fluide est accéléré par une buse et interagit avec un substrat ou un environnement ambiant. Ces flux se caractérisent par de fortes vitesses, des tourbillons turbulents et, dans de nombreux cas, par la rupture d'un jet de liquide continu en gouttelettes dispersées. La simulation précise de ces phénomènes permet aux ingénieurs de prédire l'épaisseur du revêtement, l'uniformité du schéma de pulvérisation, la distribution des gouttelettes et les taux de transfert thermique.

Physique des jets et des jets

Les flux de jets et de pulvérisations impliquent une combinaison de phénomènes de dynamique des fluides:

  • Formation et stabilité du jet:[ Un liquide ou un flux de gaz à grande vitesse sort d'une buse. Le jet peut rester laminaire, passer à la turbulence ou se casser en gouttelettes en raison d'instabilités (Rayleigh-Pladeau, décapage aérodynamique, etc.).
  • Atomisation: La rupture d'un jet liquide en gouttelettes est entraînée par la tension de surface, les forces visqueuses et la traînée aérodynamique. L'atomisation primaire se produit près de la buse, tandis que la rupture secondaire se produit plus en aval.
  • Transport et dispersion des gouttelettes:[ Une fois formés, les gouttelettes sont transportées par la phase gazeuse, sous réserve de traînée, de gravité, de turbulence et parfois d'évaporation ou de coalescence.
  • Impact et dépôt: Les gouttelettes ont un impact sur la surface cible, se propagent, rebondissent ou enrobent la surface selon les propriétés de l'énergie et du matériau.
  • Interactions multiphasées:[ Les phases liquides et gazeuses échangent la dynamique, la masse et l'énergie. L'évaporation ou la condensation peuvent survenir dans le refroidissement par vaporisation ou la peinture avec des solvants volatils.

Simuler ces processus nécessite de résoudre les équations Navier-Stokes (éventuellement avec transfert de chaleur) avec un modèle multiphase et un modèle de turbulence. COMSOL Multiphysics® offre plusieurs interfaces qui peuvent être couplées pour capturer ces physique avec précision.

Modules CFD COMSOL pour simulation de jets et de sprays

COMSOL Multiphysics® fournit des interfaces physiques dédiées sous le module CFD[ et le module Flow. Les interfaces clés comprennent:

  • Débit monophasé:[ Pour les jets turbulents de base sans changement de phase (utilisés pour les jets à gaz ou les jets liquides sans rupture).
  • Débit à deux phases, niveau ou champ de phase : Pour suivre les interfaces pointues entre les fluides immiscibles, adapté pour la rupture du jet et la formation de gouttelettes à proximité de la buse.
  • Modèle de mélange à deux phases: Pour les débits dispersés où une phase est répartie dans l'autre (p. ex., pulvérisation avec fraction de volume modéré).
  • Module de traçage des particules:[ Pour modéliser les gouttelettes discrètes comme particules soumises à des forces, permettant une simulation efficace des pulvérisations diluées sur de grands domaines.
  • Interaction entre les fluides et la structure (FSI):[ Lorsque la déformation ou la vibration de la buse affecte le jet (p. ex., en impression jet d'encre).

Le choix du bon modèle dépend du régime physique, de l'échelle d'intérêt et des ressources informatiques.

Sélection d'un modèle de turbulence

La turbulence est presque toujours présente dans les jets et les jets. COMSOL propose plusieurs modèles de Navier-Stokes (RANS) moyens Reynolds et les capacités de simulation de grande taille (LES) (via le module CFD).

  • k-ε modèle:[ Largement utilisé pour les flux de cisaillement libres tels que les jets. Il fonctionne bien pour le mélange en champ lointain mais peut surestimer l'expansion pour les forts flux tourbillonnants.
  • k[---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  • LES: Capture des structures transitoires de construction et peut prédire le mélange à petite échelle et la dispersion des gouttelettes, mais à un coût de calcul plus élevé.

Pour les débits en deux phases, les modèles de turbulence peuvent être appliqués à la phase continue, tandis que la phase dispersée peut nécessiter des modèles de suivi stochastiques (marches aléatoires) pour tenir compte des effets de turbulence sur les gouttelettes.

Mise en place d'une simulation de jet et de pulvérisation dans COMSOL

Un workflow typique implique la création de géométrie, la définition physique, le maillage, la résolution et le post-traitement. Ci-dessous sont détaillées étapes pour une simulation de revêtement de pulvérisation.

1. Définition de la géométrie et de la buse

Définir la géométrie de la buse (convergente, divergente ou droite) et le domaine de calcul entourant le jet. Pour les buses axisymétriques, utilisez un modèle axisymétrique 2D pour réduire le calcul; pour les buses non axisymmétriques ou multiples, un domaine 3D est nécessaire. Le domaine doit s'étendre assez loin en aval pour capturer la propagation et l'évaporation.

  • Inlet: Régler la vitesse ou le débit massique à la sortie de la buse, ainsi que l'intensité de turbulence et l'échelle de longueur.
  • Outlet: Sortie de pression ou limite ouverte avec écoulement de sortie supprimé.
  • Tailles: Pas de glissement pour les surfaces solides; le glissement peut être utilisé pour les parois loin du jet.
  • Symmétrie ou axe:[ Utilisation pour les modèles 2D.

Pour les simulations multiphases, l'état d'entrée doit comprendre la composition de la phase. Pour l'injection par pulvérisation (traçage des particules), définir les points d'injection, la distribution de la taille des gouttelettes (p. ex. Rosin-Rammmler), la vitesse initiale et les propriétés du matériau.

2. Propriétés des fluides et modèles de matériaux

Définir la densité, la viscosité, la tension de surface et (le cas échéant) la pression de vapeur et la chaleur latente. Les propriétés dépendantes de la température sont importantes pour le refroidissement par pulvérisation ou le revêtement à chaud.

3. Génération de Mesh

Pour les méthodes de suivi des interfaces (niveau de jeu/champ de phase), le maillage doit résoudre l'épaisseur de l'interface (généralement 3-5 cellules à travers l'interface). Le raffinement adaptatif du maillage peut être utilisé pour affiner dynamiquement les régions avec des gradients de courbure d'interface ou de vitesse élevée. Pour le suivi des particules (approche lagrangien), un maillage plus grossier peut être suffisant, mais la phase continue doit encore résoudre les balances de turbulence si le couplage est bidirectionnel.

4. Configuration du solvant

Les débits de jet et de pulvérisation sont souvent transitoires. Utilisez un résolveur dépendant du temps avec une petite étape dans le temps pour capturer la dynamique de rupture. Le temps de passage implicite de COMSOL (BDF ou alpha généralisé) est robuste pour les problèmes raides. Pour les jets à l'état stationnaire (par exemple, un jet à gaz continu sans rupture), un résolveur stationnaire peut être utilisé avec une approche pseudo-temporelle.

5. Méthodes de modélisation en plusieurs phases

Différentes stratégies de modélisation s'appliquent selon la densité de pulvérisation:

  • Eulérien-Eulérien (Modèle de débit en deux phases, mélange): Traite à la fois le liquide et le gaz comme des continuums interpénétrateurs. Le meilleur pour les sprays denses où les gouttelettes interagissent et la fraction de volume est >0,1%. Nécessite des modèles de fermeture pour les forces interphases (rag, lifting, masse virtuelle).
  • Eulérien-Lagrangien (traçage des particules): Traque les gouttelettes individuelles comme particules. Convient pour les pulvérisations diluées (fraction de volume <0,1%). On peut utiliser un couplage à sens unique ou à double sens. Le couplage à deux sens comprend le transfert de la force et de la chaleur des particules vers le fluide.
  • Volume de fluide (VOF):[ Capture l'interface exacte de gaz liquide et est idéal pour l'atomisation primaire près de la buse. Cependant, il nécessite une haute résolution de maille et est calculable cher pour les cônes de pulvérisation entiers. Souvent utilisé dans un petit domaine près de la buse, les gouttelettes résultantes sont transférées sur un modèle Lagrangien pour le champ lointain.

COMSOL implémente les méthodes de niveau et de phase pour les capacités de type VOF, tandis que le traçage des particules est couvert par le module de traçage des particules. Pour le couplage, des fonctions de liaison en direct ou le transfert manuel de données peuvent être utilisés.

Analyser les résultats de simulation

La post-traitement dans COMSOL fournit de riches informations:

  • Champs de vélocité et de turbulence:[ Visualisez le noyau du jet, l'angle de propagation et l'intensité de turbulence. Extraire des profils radiaux à divers endroits axiaux.
  • Distribution de la phase: Pour le VOF/Level Set, tracer la fraction du volume liquide pour voir la forme du jet et les points de rupture.
  • Distribution des dimensions des particules:[ Utiliser les données de particules pour calculer les histogrammes; des mesures statistiques comme le diamètre moyen de Sauter (SMD) sont essentielles pour la qualité du revêtement.
  • Formation de films de vol:[ Lorsque les gouttelettes frappent un mur, l'épaisseur du film de piste et la couverture. L'interface Film Flow de COMSOL peut être couplée à des films liquides minces modèles.
  • Chauffage et transfert de masse:[ Pour le refroidissement par pulvérisation, évaluer la distribution de température sur la surface cible et le taux d'évaporation des gouttelettes.

Des rapports et des animations peuvent être produits pour communiquer les résultats aux équipes de conception.

Applications dans les procédés de fabrication

Les simulations de jets et de pulvérisations dans COMSOL répondent à un large éventail de besoins industriels:

Revêtement et peinture

En vaporisant, l'uniformité de l'épaisseur du revêtement est primordiale. Les simulations permettent d'optimiser la géométrie de la buse, la pression d'atomisation et la distance de sortie. En modélisant le transport des gouttelettes et l'impingement mural, les ingénieurs peuvent réduire les surasprays (déchets de matériaux) et atteindre la finition souhaitée. La simulation peut également tenir compte de l'évaporation du solvant qui affecte la viscosité et le dépôt des gouttelettes.

Refroidissement par pulvérisation

Le refroidissement par pulvérisation est utilisé dans l'extinction des métaux, la gestion thermique électronique et le refroidissement par verre. L'efficacité dépend de la taille des gouttelettes, de la vitesse et de l'humidité de surface. Les simulations COMSOL peuvent coupler le flux de fluide, le transfert de chaleur et le changement de phase pour prédire les vitesses de refroidissement et éviter les contraintes thermiques.

Distribution de matériel et impression 3D

Les simulations permettent d'obtenir une formation stable de gouttelettes (pas de gouttelettes satellite), un positionnement précis et une taille constante. Le débit biphasé de COMSOL avec angle de contact dynamique permet de modéliser l'impact des gouttelettes et de fusionner sur un substrat mobile. Pour l'impression de jets de liant ou d'aérosols, le suivi des particules peut prédire la précision des dépôts.

Atomisation pour le séchage par combustion et pulvérisation

Bien que moins fréquent dans la fabrication, l'atomisation par pulvérisation dans les processus chimiques (p. ex., séchage par pulvérisation de poudres) bénéficie de la simulation CFD. COMSOL peut modéliser l'interaction de plusieurs jets et la cinétique de séchage, assurant la qualité du produit.

Nettoyage et étalonnage

Les jets liquides à grande vitesse sont utilisés pour le nettoyage ou la découpe de surface. La simulation aide à déterminer la pression du jet et la distance de sortie nécessaire pour éliminer les contaminants sans endommager le substrat.

Défis et meilleures pratiques

Simulation des débits de jet et de pulvérisation est accompagnée de difficultés:

  • Coûts de calcul:[ La résolution de l'atomisation primaire nécessite des mailles fines et de petites étapes de temps. L'utilisation de modèles hybrides (VOF près de la buse, Lagrangien en aval) ou de modèles muraux ERP avancés peut réduire les coûts.
  • Modèle de rupture:[ Les modèles de rupture primaire et secondaire ne sont pas entièrement prédictifs. Les ingénieurs comptent souvent sur des corrélations empiriques pour la distribution de la taille des gouttelettes en entrée.
  • Interaction entre les turbulences :[ Dans les simulations de VOF, les modèles de turbulence peuvent surpasser les instabilités de l'interface. Les approches de résolution d'échelle (LES) sont supérieures mais plus coûteuses.
  • Sensibilité à l'étatoundaire: Le débit interne de la buse influence le profil de sortie du jet. L'inclusion de l'intérieur de la buse dans la simulation peut améliorer la précision.
  • Validation: Toujours comparer les résultats de simulation avec des données expérimentales (p. ex. photographie à grande vitesse, anémométrie de phase Doppler) à des modèles d'étalonnage.

Exemple: Simulation d'un spray de peinture

Pour illustrer, nous avons utilisé une géométrie axisymétrique 2D, nous avons réglé la vitesse d'entrée et la vitesse d'entrée d'air liquide, avec une intensité de turbulence de 5 % et une échelle de longueur de 1 mm. Le modèle multiphase utilise le modèle Mixture (Eulérien-Eulérien) parce que le spray est modérément dense. Le liquide est une peinture à flexion de cisaillement (modèle Carreau) et le gaz est un air standard. Le maillage est raffiné près de la sortie du spray (0,05 mm). Un résolveur transitoire fonctionne pendant 0,1 s avec une étape de temps de 1e-5 s. Les résultats montrent le noyau du jet liquide, sa rupture en ligaments et gouttelettes et l'angle du cône de pulvérisation. En ajustant le rapport masse air-liquide, le SMD gouttette passe de 50 μm à 30 μm, améliorant la lissage du revêtement.

Ressources extérieures

Pour plus de détails, veuillez consulter la documentation COMSOL et les ressources connexes suivantes:

Conclusion

Simuler les flux de jets et de pulvérisations dans COMSOL Multiphysics® fournit aux ingénieurs de fabrication un outil puissant pour optimiser les processus allant du revêtement au refroidissement par pulvérisation. En sélectionnant des modèles de turbulence et multiphases appropriés, en construisant soigneusement le maillage et en validant les expériences, on peut obtenir des prédictions significatives de la taille des gouttelettes, du modèle de pulvérisation et du dépôt.