Inleiding tot Jet and Spray Flows in Manufacturing

De jet- en spraystromen zijn centraal in talrijke productieprocessen waarbij een vloeistofstroom wordt versneld door een mondstuk en interageert met een substraat of omgeving. Deze stromen worden gekenmerkt door hoge snelheden, turbulente wervelingen en, in veel gevallen, het uiteenvallen van een continue vloeistofstraal in verspreide druppels. Nauwkeurige simulatie van deze verschijnselen stelt ingenieurs in staat om coatingdikte, spray patroon uniformiteit, druppelgrootte verdelingen en thermische overdrachtsnelheden te voorspellen. COMSOL Multiphysics® biedt een robuust simulatiekader dat de complexe fysica kan behandelen, waaronder multifase interacties, turbulentie en faseverandering, waardoor optimalisatie van spuitmonden, procesparameters en materiaalformuleringen mogelijk wordt.

Overheersende natuurkunde van Jet en Spray Flows

Jet en spray stromen omvatten een combinatie van vloeistof dynamica fenomenen:

  • Jetvorming en stabiliteit: Een vloeistof- of gasstroom met hoge snelheid verlaat een straalpijp. De straal kan laminair blijven, overgaan tot turbulentie of door instabiele druppels inbreken (Rayleigh-Plateau, aerodynamische stripping, enz.).
  • Atomisering: De opsplitsing van een vloeibare straal in druppels wordt aangedreven door oppervlaktespanning, viskeuze krachten en aerodynamische slepen. Primaire amputatie vindt plaats in de buurt van de straalpijp, terwijl secundaire breuk verder stroomafwaarts gebeurt.
  • Droplettransport en dispersie: Eenmaal gevormd worden druppels vervoerd door de gasfase, afhankelijk van slepen, zwaartekracht, turbulentie en soms verdamping of kolkenvorming.
  • Versterking en afzetting: Druppels inslag op het doeloppervlak, verspreiding, rebounding of coating van het oppervlak, afhankelijk van impact energie en materiaaleigenschappen.
  • Multifase interacties: Vloeistof- en gasfasen wisselen momentum, massa en energie uit. Verdamping of condensatie kan optreden bij het afkoelen of schilderen met vluchtige oplosmiddelen.

Het simuleren van deze processen vereist het oplossen van de Navier-Stokes vergelijkingen (mogelijk met warmteoverdracht) samen met een multifase model en een turbulentie model. COMSOL Multiphysics® biedt verschillende interfaces die kunnen worden gekoppeld om deze natuurkunde nauwkeurig te vangen.

COMSOL CFD Modules voor Jet- en Spray Simulatie

COMSOL Multiphysics® biedt specifieke natuurkundige interfaces onder de CFD Module en de Multiphase Flow Module. De belangrijkste interfaces zijn:

  • Single-fasestroom: Voor basisturbulente straaltoestellen zonder faseverandering (gebruikt voor gasstralen of vloeibare straaltoestellen zonder breuk).
  • Twee fasestroom, niveau-Set of fase-veld: Voor het opsporen van scherpe interfaces tussen onmisbare vloeistoffen, geschikt voor het breken van straal en druppelvorming in de nabijheid van de straalpijp.
  • Twee fasestroom, mengselmodel: Voor verspreide stromen waarbij de ene fase in de andere wordt verdeeld (bv. sprayen met een matige volumefractie).
  • Particle Tracing Module: Voor het modelleren van discrete druppels als deeltjes die aan krachten onderworpen zijn, waardoor een efficiënte simulatie van verdunde sprays over grote domeinen mogelijk is.
  • Fluid-Structuurinteractie (FSI): Wanneer dirigeren van de straal of trillingen de straal beïnvloeden (bijvoorbeeld in inkjetdruk).

Het kiezen van het juiste model hangt af van het fysieke regime, de omvang van de belangstelling en de computationele middelen.

Een Turbulentiemodel selecteren

Turbulentie is bijna altijd aanwezig in straal- en sproeistromen. COMSOL biedt verschillende Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes (RANS) modellen en Large Eddy Simulation (LES) mogelijkheden (via de CFD Module). Voor de productie simulaties, RANS modellen zijn standaard:

  • k-ε model: Ruim gebruikt voor vrije afschuifstromen zoals jets. Het presteert goed voor verveld mengen, maar kan overvoorspellen verspreiding voor sterke wervelstromen.
  • k-ω SST: Combineert de robuustheid van de k-ω bij muren met de k-ε in vrije schuif. Goed voor straalstralen en wandgebonden stromen.
  • LES: Neemt tijdelijke wervelstructuren op en kan fijnschalige menging en druppelverspreiding voorspellen, maar tegen hogere rekenkosten. Geschikt voor onderzoek-grade atomenstudies.

Voor tweefasenstromen kunnen turbulentiemodellen worden toegepast op de continue fase, terwijl de verspreide fase stochastische trackingmodellen (randomwandelingen) nodig kan hebben om turbulentie-effecten op druppels te compenseren.

Een jet- en spraysimulator instellen in COMSOL

Een typische workflow omvat geometrie creatie, fysica definitie, measurement, oplossen, en post-processing. Hieronder staan gedetailleerde stappen voor een spray coating simulatie.

1. Geometrie en definitie van de nozzle

Definieer de meetkunde van de straalpijp (convergent, divergerend of rechtdoor) en het computerdomein rondom de straal. Voor axisymmetrische straalpijpen moet een 2D-asymmetrisch model worden gebruikt om de berekening te verminderen; voor niet-asysymmetrisch of meerdere straalpijpen is een 3D-domein vereist. Het domein moet ver genoeg stroomafwaarts worden uitgebreid om verspreiding en verdamping te vangen.

  • Inlaat: Stel snelheid of massastroom in bij de uitgang van de mondstuk, samen met turbulentie intensiteit en lengte schaal. Voor een vloeibare straal, geef de fasefractie (1 voor vloeistof).
  • Uitlaat: Drukuitlaat of open grens met onderdrukte terugstroom.
  • Wallen: Geen slip voor vaste oppervlakken; slip kan worden gebruikt voor muren ver van de straal.
  • Symmetrie of as: Gebruik voor 2D-modellen.

Voor multifase simulaties moet de inlaatconditie de fasesamenstelling omvatten. Voor sprayinjectie (Particle Tracing), de injectiepunten, de verdeling van de druppelgrootte (bv. Rosine-Rammler), de beginsnelheid en de materiaaleigenschappen.

2. Vochteigenschappen en materiaalmodellen

Definieer dichtheid, viscositeit, oppervlaktespanning en (indien van toepassing) dampdruk en latente warmte. Temperatuurafhankelijke eigenschappen zijn belangrijk voor het vernevelen of hete coating. Voor niet-Newtonse vloeistoffen (verf, slurrys) kan het Carreau- of vermogens-law-model worden gebruikt in het vloeistofeigenschappen gedeelte.

3. Mesh Generation

Meshing is van cruciaal belang voor het vastleggen van jet breakup en druppelvorming. Gebruik een fijne mesh in de buurt van de mondstukuitgang waar gradiënten zijn het hoogst. Voor interface-tracking methoden (Level Set/Fase Field), de mesh moet de interface dikte (gewoonlijk 3-5 cellen over de interface) oplossen. Adaptieve mesh verfijning kan worden gebruikt om dynamisch verfijnen gebieden met hoge interface kromming of sterke snelheid hellingen. Voor deeltjes volgen (Lagragische aanpak), een grovere mesh kan voldoende zijn, maar de continue fase moet nog steeds oplossen turbulentie schalen als koppeling is twee-weg.

4. Configuratie van oplossysteem

De Jet- en spraystromen zijn vaak van voorbijgaande aard. Gebruik een tijdafhankelijke oplosser met een kleine tijdstap om de break-updynamica vast te leggen. COMSOL's impliciete tijdstap (BDF of gegeneraliseerde alfa) is robuust voor stijve problemen. Voor steady-state straaltoestellen (bijvoorbeeld een continue gasstraal zonder breuk), kan een stationaire oplosmachine worden gebruikt met een pseudo-timestep benadering. Schakel stabilisatiemethoden (stroomlijndiffusie, crosswind diffusie) in voor convectie-gedomineerde stromen. Voor multifaseproblemen werken fractionele stapmethoden (druk-snelheidskoppeling) goed in COMSOL.

5. Multifase Modellering Benaderingen

Afhankelijk van de spraydichtheid zijn verschillende modelstrategieën van toepassing:

  • Euleriaan-Euleriaan (Tweefasestroom, mengselmodel): Behandelt zowel vloeistof als gas als interperenter continua. Beste voor dichte sprays waar druppels interageren en volumefractie > 0,1%. Vereist sluiting modellen voor interfase krachten (sleep, lift, virtuele massa).
  • Euleriaan-Lagragisch (Particle Traceren): Traceert individuele druppels als deeltjes. Geschikt voor verdunde sprays (volumefractie < 0,1%). Eénrichtings- of tweerichtingskoppeling kan worden gebruikt. Tweerichtingskoppeling omvat momentum en warmteoverdracht van deeltjes naar vloeistof. Deze benadering is efficiënt voor grootschalige simulaties waarbij dropletgrootteverdeling van belang is.
  • Volume van de vloeistof (VOF): Neemt de exacte vloeistof-gasinterface en is ideaal voor primaire verstuiven in de buurt van de mondstuk. Echter, het vereist een hoge maasresolutie en is rekenkundig duur voor hele spray kegels. Vaak gebruikt in een klein domein bij de mondstuk, met de resulterende druppels worden overgebracht naar een Lagrangian model voor het verre veld.

COMSOL implementeert de Level Set en Fase Veld methoden voor VOF-achtige mogelijkheden, terwijl Deeltjes Traceren wordt bestreken door de Deeltjes Traceren Module. Voor koppeling, live link functies of handmatige gegevensoverdracht kan worden gebruikt.

Simulatieresultaten analyseren

Post-processing in COMSOL biedt rijke inzichten:

  • Velocity en turbulentie velden: Visualiseer de straalkern, verspreidingshoek en turbulentie intensiteit. Extract radiale profielen op verschillende axiale locaties.
  • Fase distributie: Voor VOF/Level Set, plot de vloeibare volumefractie om de straalvorm en de breukpunten te zien. Voor Lagrangian, plot partikelposities gekleurd door grootte of snelheid.
  • Dropletgrootteverdeling: Gebruik deeltjesgegevens om histograms te berekenen; statistische metingen zoals de gemiddelde diameter van Sauter (SMD) zijn van cruciaal belang voor de coatingkwaliteit.
  • Wall filmvorming: Wanneer druppels een muur raken, de dikte en dekking van de film volgen. COMSOL's Film Flow interface kan worden gekoppeld aan model dunne vloeibare films.
  • Heat en massaoverdracht: Voor het afkoelen van de spray, de temperatuurverdeling op het doeloppervlak en de verdampingssnelheid van druppels evalueren.

Rapporten en animaties kunnen worden gegenereerd om bevindingen te communiceren met ontwerpteams.

Toepassingen in fabricageprocessen

Jet- en spraysimulaties in COMSOL beantwoorden aan een breed scala aan industriële behoeften:

Coating en schilderen

In spuitverven is uniformiteit van de dikte van de coating van het grootste belang. Simulaties helpen bij het optimaliseren van de geometrie van de mondstuk, de verstuifluchtdruk en de afstand tussen de stand-off. Door het modelleren van druppelstransport en wandinvloeden kunnen ingenieurs de overspray (materiaalafval) verminderen en de gewenste afwerking bereiken. De simulatie kan ook rekening houden met solvent verdamping die invloed heeft op de viscositeit en afzetting van druppels. Bijvoorbeeld, een studie met behulp van COMSOL vergeleek verschillende spuitmondontwerpen en toonde een 15% verbetering in de uniformiteit van de coating door het aanpassen van draaihoek.

Koeling van de spuit

Spray koeling wordt gebruikt in metalen blussen, elektronica thermische beheer, en glas tempering. De effectiviteit is afhankelijk van druppelgrootte, snelheid en oppervlakte bevochtiging. COMSOL simulaties kunnen koppelen vloeistofstroom, warmteoverdracht, en fase verandering om koelsnelheden te voorspellen en thermische spanningen te voorkomen. Ingenieurs kunnen verschillende koelvloeistof, spuitpatronen en spuitmond arrays testen zonder fysieke prototypes.

Materiaalverdelen en 3D-afdrukken

Inkjet printen en additieve productie maken gebruik van gecontroleerde jet break-up om druppels neer te zetten. Simulaties helpen bij het bereiken van stabiele druppelvorming (geen satellietdruppels), nauwkeurige plaatsing en consistente grootte. COMSOL's tweefasestroom met dynamische contacthoek maakt het modelleren van druppelslag en samenvoegen op een bewegend substraat mogelijk. Voor het binder jetting of aerosol printen, kunnen deeltjes volgen depositie nauwkeurigheid voorspellen.

Atomisatie voor verbranding en spraydrogen

Terwijl minder gebruikelijk in de productie, spray atomatisering in chemische processen (bijvoorbeeld spray drogen van poeders) profiteert van CFD simulatie. COMSOL kan modelleren de interactie van meerdere straal en de drogen kinetiek, het waarborgen van de productkwaliteit. De Lagrangian aanpak in combinatie met warmte en massa overdracht wordt gebruikt om druppelvocht te voorspellen.

Reiniging en schurende blasting

Voor oppervlaktereiniging of snijden worden vloeibare straalpijpen met hoge snelheid gebruikt. Simulatie helpt bij het bepalen van de straaldruk en de afstand tot de stand-off die nodig is om verontreinigingen te verwijderen zonder het substraat te beschadigen. Voor schurende waterstraaltjes kunnen deeltjes die aan de stroom worden toegevoegd, worden gemodelleerd via deeltjestraceerd met erosiemodellen.

Uitdagingen en beste praktijken

Simulatie van straal- en sproeistromen heeft problemen:

  • Computatiekosten: Het oplossen van primaire verstuiven vereist fijne mazen en kleine tijdstappen. Met behulp van hybride modellen (VOF in de buurt van mondstuk, Lagrangian downstream) of geavanceerde LES wandmodellen kunnen kosten verminderen.
  • Modelingsuitsplitsing: Primaire en secundaire uit elkaar gaan niet volledig vooruit. Ingenieurs vertrouwen vaak op empirische correlaties voor dropletgrootteverdeling als input. COMSOL geeft door de gebruiker gedefinieerde expressies voor injectieparameters.
  • Turbulentie-interface interactie: In VOF simulaties kunnen turbulentiemodellen de interface instabiliteiten over-dampen. Scale-oplossende benaderingen (LES) zijn superieur maar duurder.
  • Grondconditiegevoeligheid: Spiegelinnerlijke stroom beïnvloedt het straaluitlaatprofiel. Inclusief het binnenste van de straalpijp in de simulatie kan de nauwkeurigheid verbeteren.
  • Validatie: Vergelijk altijd simulatieresultaten met experimentele gegevens (bv. snelle fotografie, fase Doppler anemometrie) om modellen te kalibreren.

Voorbeeld: Een verfnevel simuleren

Om te illustreren, overwegen een typische lucht-geassisteerde spuitmond. Het model omvat een binnenste vloeistofkanaal en buitenlucht annulus. Met behulp van een 2D axysymmetrische geometrie, stellen we de vloeistof inlaatsnelheid en luchtinlaatsnelheid, zowel met turbulentie intensiteit 5% en lengte schaal 1 mm. Het multifase model maakt gebruik van het mengsel Model (Eulerian-Eulerian) omdat de spray is matig dicht. De vloeistof is een scheer-dunne verf (Carreau model), en het gas is standaard lucht. De mesh is verfijnd bij de uitgang van het mondstuk 0,05 mm). Een tijdelijke oplosser loopt voor 0,1 s met een tijdstap van 1e-5 s. De resultaten tonen de vloeibare jet kern, de break-up in ligamenten en druppels, en de spray kegel hoek. Door het aanpassen van de lucht-tot-vloeibare massaverhouding, de druppel SMD verandert van 50 μm tot 30 μm.

Externe middelen

Voor nadere bijzonderheden verwijzen wij u naar de volgende COMSOL-documentatie en de bijbehorende middelen:

Conclusie

Simulatie van straal- en spuitstromen in COMSOL Multiphysics® biedt productietechnici een krachtig hulpmiddel om processen te optimaliseren die variëren van coating tot spraykoeling. Door passende turbulentie- en multifasemodellen te selecteren, zorgvuldig de mesh te bouwen en te valideren tegen experimenten, kunnen zinvolle voorspellingen van druppelgrootte, spuitpatroon en depositie worden verkregen. Deze inzichten leiden tot minder afval, verbeterde productkwaliteit en kortere ontwikkelingscycli. Naarmate het rekenvermogen en modelleertechnieken vooruitgaan, zal de trouw van dergelijke simulaties alleen maar toenemen, waardoor CFD een onmisbaar onderdeel van het fabricageontwerp wordt.