Introduzione ai flussi di getto e di spruzzo nel settore manifatturiero

I flussi di getto e spray sono centrali per numerosi processi produttivi in cui un flusso fluido viene accelerato attraverso un ugello e interagisce con un substrato o ambiente. Questi flussi sono caratterizzati da elevate velocità, eddie turbolenti e, in molti casi, la rottura di un getto liquido continuo in gocce disperse.La simulazione accurata di questi fenomeni consente agli ingegneri di prevedere lo spessore del rivestimento, l'uniformità del modello di spruzzo, la distribuzione delle dimensioni di goccia, il cambiamento di articolazione dei flussi di goccia e dei flussi di multifiori e dei flussi.

Governare la fisica dei flussi di getto e di spruzzo

Flussi di getto e spray comportano una combinazione di fenomeni di dinamica dei fluidi:

  • Formazione e stabilità dei piedi:[ Un flusso di gas o liquido ad alta velocità esce dall'ugello. Il getto può rimanere laminare, transizione alla turbolenza, o rompere in gocce a causa di instabilità (Rayleigh-Plateau, stripping aerodinamico, ecc.).
  • Atomizzazione:[] La rottura di un getto liquido in gocce è guidata dalla tensione superficiale, dalle forze viscose e dalla resistenza aerodinamica. L'atomizzazione primaria si verifica vicino all'ugello, mentre la rottura secondaria avviene ulteriormente a valle.
  • Trasporti e dispersione del rottame:[ Una volta formate, le gocce sono trasportate dalla fase del gas, soggette a trascinamento, gravità, turbolenza, e talvolta evaporazione o carbonescence.
  • Impugnazione e deposizione:[ Impatto di gocce sulla superficie di destinazione, diffusione, rimbalzo, o rivestimento della superficie a seconda dell'energia di impatto e delle proprietà materiali.
  • Interazioni multifase:[ Le fasi di scambio, massa ed energia delle fasi liquide e gas. L'evaporazione o la condensazione possono verificarsi nel raffreddamento a spruzzo o nella verniciatura con solventi volatili.

La simulazione di questi processi richiede la risoluzione delle equazioni Navier-Stokes (forse con trasferimento termico) insieme a un modello multifase e a un modello di turbolenza. COMSOL Multiphysics® offre diverse interfacce che possono essere accoppiate per catturare queste fisiche con precisione.

Moduli COMSOL CFD per la simulazione di getto e spray

COMSOL Multiphysics® fornisce interfacce fisiche dedicate sotto il modulo CFD[] e il ] Modulo di flusso multifisico.

  • Flusso di sterzo: Per getti turbolenti di base senza cambio di fase (utilizzati per getti di gas o getti liquidi senza rottura).
  • Due-Phase Flow, Level Set o Phase Field:[ Per tracciare interfacce taglienti tra fluidi immiscibili, adatti per la rottura del getto e la formazione di goccia nelle vicinanze dell'ugello.
  • Due fasi di flusso, mistura Modello: Per flussi dispersi dove una fase viene distribuita nell'altra (ad esempio, spray con frazione di volume moderata).
  • Modulo di tracciamento del pavimento:[ Per modellare gocce discrete come particelle soggette alle forze, consentendo una simulazione efficiente di diluire gli spruzzi su grandi domini.
  • Interazione di struttura (FSI): Quando la deformazione o la vibrazione dell'ugello influiscono sul getto (ad esempio, nella stampa a getto d'inchiostro).

La scelta del modello giusto dipende dal regime fisico, dalla scala di interesse e dalle risorse computazionali.

Selezione di un modello di turbolenza

COMSOL offre diversi modelli di Navier-Stokes (RANS) e grandi capacità di simulazione (LES) (tramite il modulo CFD). Per simulazioni di produzione, i modelli RANS sono standard:

  • ]k[-ε model:[] Ampiamente usato per flussi di taglio liberi come getti. Esegue bene per la miscelazione di campo lontano, ma può sovrapredicare la diffusione per forti flussi di rotazione.
  • ]k[-ω SST:]] Combina la robustezza del k-ω vicino a pareti con il ]k-ε in libera shear.
  • LES:[]] Cattura strutture eddy transitorie e può prevedere la miscelazione e la dispersione di goccia su scala sottile, ma a un costo computazionale più elevato.

Per i flussi bifase, i modelli di turbolenza possono essere applicati alla fase continua, mentre la fase dispersa può richiedere modelli di tracciamento stocastico (camere casuali) per tenere conto degli effetti di turbolenza sulle gocce.

Impostazione di una simulazione Jet e Spray in COMSOL

Un flusso di lavoro tipico coinvolge la creazione di geometria, la definizione fisica, la mesh, la risoluzione e il post-processing.

1. Geometria e definizione dell'ugello

Definire la geometria dell'ugello (convergente, divergente o dritto) e il dominio computazionale che circonda il getto. Per gli ugelli assiimmetrici, utilizzare un modello assiimmetrico 2D per ridurre il calcolo; per gli ugelli non assisimmetrici o multipli è richiesto un dominio 3D. Il dominio dovrebbe estendersi abbastanza a valle per catturare la diffusione e l'evaporazione.

  • Inlet:[] Impostare velocità o portata di massa all'uscita dell'ugello, insieme all'intensità della turbolenza e alla scala della lunghezza. Per un getto liquido, specificare la frazione di fase (1 per liquido).
  • Outlet:[] Presa di pressione o confine aperto con il retroflusso soppresso.
  • Vuole:[]] No-slip per superfici solide; lo slittamento può essere utilizzato per pareti lontane dal getto.
  • Simmetria o asse:[] Utilizzare per modelli 2D.

Per le simulazioni multifase, la condizione di ingresso deve includere la composizione di fase. Per l'iniezione di spray (Tracing di particelle), definire i punti di iniezione, distribuzione di dimensioni di goccia (ad esempio, Rosin-Rammler), velocità iniziale e proprietà materiali.

2. Proprietà fluide e modelli materiali

Definere la densità, la viscosità, la tensione superficiale e (se applicabile) la pressione del vapore e il calore latente. Le proprietà dipendenti dalla temperatura sono importanti per il raffreddamento a spruzzo o il rivestimento caldo. Per i fluidi non newtoniani (paint, slurries), il modello Carreau o power-law può essere utilizzato nella sezione proprietà fluide.

3. Generazione di Mesh

Per i metodi di tracciamento dell'interfaccia (Level Set/Phase Field), la rete deve risolvere lo spessore dell'interfaccia (tipicamente 3-5 celle attraverso l'interfaccia). L'accoppiamento di rete adattabile può essere utilizzato per migliorare dinamicamente le regioni con alta curvatura o forti gradienti di velocità.

4. Configurazione del solvente

I flussi di getto e di spruzzo sono spesso transitori. L'uso di un risolutore dipendente dal tempo con un piccolo passo di tempo per catturare le dinamiche di rottura. Il time-stepping implicito di COMSOL (BDF o alfa generalizzato) è robusto per i problemi rigidi. Per i getti a stato costante (ad esempio, un getto a gas continuo senza rottura), un risolutore stazionario può essere utilizzato con un approccio pseudo-tempo.

5. Approcci di modellazione multifase

Si applicano diverse strategie di modellazione a seconda della densità di spruzzo:

  • Eulerian-Eulerian (Two-phase Flow, Mixture Model): Tratta sia liquido che gas come interpenetrating continua. Meglio per spruzzi densi dove gocce interagiscono e volume frazione è >0,1%. Richiede modelli di chiusura per forze interfase (drag, lift, massa virtuale).
  • Eulerian-Lagrangian (Tracing del grafico): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Tracciare le gocce individuali come particelle. Adatto per diluire gli spruzzi (frazione del volume < 0,1%). Un accoppiamento a due vie può essere utilizzato. L'accoppiamento a due vie include il trasferimento di calore e di moto da particelle a fluido. Questo approccio è efficiente per simulazioni su larga scala dove la distribuzione delle dimensioni.
  • Volume di Fluid (VOF):] Cattura l'esatta interfaccia a gas liquido ed è ideale per l'atomizzazione primaria vicino all'ugello. Tuttavia, richiede alta risoluzione della rete ed è computazionalmente costoso per coni interi spray. Spesso utilizzato in un piccolo dominio vicino all'ugello, con le gocce che ne derivano trasferite a un modello lagrangiano per il campo lontano.

COMSOL implementa i metodi di Level Set e Phase Field per le capacità VOF, mentre il Particle Tracing è coperto dal modulo Particle Tracing.

Analisi dei risultati della simulazione

Il post-processing in COMSOL fornisce informazioni ricche:

  • Campi di forza e turbolenza:[[] Visualizzare il nucleo del getto, espandere l'angolo e l'intensità della turbolenza.
  • Distribuzione di pezzi:[ Per VOF/Level Set, tracciare la frazione di volume liquido per vedere la forma del getto e i punti di rottura. Per Lagrangian, trame particella posizioni colorate per dimensioni o velocità.
  • Distribuzione delle dimensioni del droplet:[] Utilizzare i dati delle particelle per calcolare gli istogrammi; misure statistiche come il diametro del significato di Sauter (SMD) sono fondamentali per la qualità del rivestimento.
  • Formazione di film:[[] Quando le gocce influenzano una parete, tracciano lo spessore e la copertura del film. L'interfaccia di COMSOL Film Flow può essere accoppiata per modellare sottili film liquidi.
  • Trasferimento di calore e massa:[ Per il raffreddamento a spruzzo, valutare la distribuzione della temperatura sulla superficie di destinazione e la velocità di evaporazione delle gocce.

I report e le animazioni possono essere generati per comunicare i risultati ai team di progettazione.

Applicazioni nei processi di fabbricazione

Le simulazioni di getto e spray in COMSOL affrontano una vasta gamma di esigenze industriali:

Rivestimento e pittura

Nella verniciatura a spruzzo, l'uniformità dello spessore del rivestimento è fondamentale. Le simulazioni aiutano a ottimizzare la geometria dell'ugello, la pressione dell'aria di atomizzazione e la distanza di stallo. Modellando il trasporto a goccia e l'impingazione a parete, gli ingegneri possono ridurre la sovrasprudenza (rifiuti materiali) e ottenere la finitura desiderata.

Raffreddamento a spruzzo

Il raffreddamento a spruzzo viene utilizzato in metallo, gestione termica dell'elettronica e temperatura del vetro. L'efficacia dipende dalla dimensione del gocciolo, velocità e bagnabilità superficiale. Le simulazioni COMSOL possono accoppiare fluido flusso, trasferimento di calore e cambiamento di fase per prevedere i tassi di raffreddamento ed evitare stress termici. Gli ingegneri possono testare diversi refrigeranti, modelli di spruzzo e array di ugelli senza prototipi fisici.

Materiale dismissione e stampa 3D

La stampa a getto d'inchiostro e la produzione additiva utilizzano la rottura controllata del getto per depositare gocce. Le simulazioni aiutano a raggiungere una formazione stabile delle gocce (senza gocce satellitari), un posizionamento preciso e una dimensione coerente. Il flusso a due fasi di COMSOL con angolo di contatto dinamico consente la modellazione dell'impatto a goccia e la fusione su un substrato in movimento.

Atomizzazione per la combustione e l'essiccazione a spruzzo

Mentre meno comune nella produzione, l'atomizzazione spray nei processi chimici (ad esempio, l'essiccazione a spruzzo di polveri) beneficia della simulazione CFD. COMSOL può modellare l'interazione di più getti e la cinetica di essiccazione, garantendo la qualità del prodotto. L'approccio lagrangiano accoppiato con il calore e il trasferimento di massa è utilizzato per prevedere il contenuto di umidità goccia.

Pulizia e abrasiva Blasting

I getti liquidi ad alta velocità vengono utilizzati per la pulizia o il taglio delle superfici. La simulazione aiuta a determinare la pressione del getto e la distanza di stallo necessari per rimuovere i contaminanti senza danneggiare il substrato.Per i getti d'acqua abrasivi, le particelle aggiunte al flusso possono essere modellate tramite Particle Tracing con modelli di erosione.

Sfide e migliori pratiche

La simulazione di flussi di getto e spray è di difficoltà:

  • Costo computazionale:[] Risolvere l'atomizzazione primaria richiede mesh sottili e piccoli passi di tempo. Utilizzando modelli ibridi (VOF vicino all'ugello, Lagrangian a valle) o modelli di parete LES avanzati possono ridurre i costi.
  • La rottura della modellazione:[] I modelli di rottura primaria e secondaria non sono completamente predittivi. Gli ingegneri spesso si affidano a correlazioni empiriche per la distribuzione delle dimensioni del gocciolo come input.
  • Interazione di interfaccia:[ Nelle simulazioni VOF, i modelli di turbolenza possono instabilità dell'interfaccia over-damp. Gli approcci di risolvenza scala (LES) sono superiori ma più costosi.
  • Sensibilità della condizione corporea:[ Il flusso interno dell'ugello influenza il profilo di uscita del getto.
  • Valida:[] Confronti sempre i risultati della simulazione con dati sperimentali (ad esempio, fotografia ad alta velocità, anemometria Doppler fase) per calibrare i modelli.

Esempio: Simulare un ugello spray vernice

Per illustrare, considerare un tipico ugello di spruzzo di vernice assistita dall'aria. Il modello include un canale liquido interno e un anulare dell'aria esterno. Utilizzando una geometria assesimetrica 2D, abbiamo impostato la velocità di entrata liquida e la velocità di entrata dell'aria, entrambi con intensità di turbolenza 5% e scala di lunghezza 1 mm. Il modello multifase utilizza il Modello di miscelazione (Eulerian-Eulerian) perché lo spray è modera.

Risorse esterne

Per ulteriori dettagli, consultare la seguente documentazione COMSOL e le relative risorse:

Conclusioni

Grazie alla scelta di modelli di turbolenza e multifase appropriati, la costruzione di reti e la validazione di esperimenti, la coltura di CFU di dimensioni di goccia, il modello di spruzzo e la deposizione possono essere ottenuti solo con l'aumento di rifiuti ridotti, la migliore qualità del prodotto e i cicli di sviluppo più brevi.