Introdução aos Fluxos de Jato e Spray na Fabricação

Os fluxos de jato e pulverização são centrais em numerosos processos de fabricação, onde uma corrente de fluido é acelerada através de um bocal e interage com um substrato ou ambiente ambiente. Esses fluxos são caracterizados por altas velocidades, turbulentas turbulentas e, em muitos casos, a separação de um jato líquido contínuo em gotas dispersas. A simulação precisa desses fenômenos permite aos engenheiros prever espessura de revestimento, uniformidade do padrão de pulverização, distribuições de tamanho de gotas e taxas de transferência térmica. COMSOL Multiphysics® fornece uma estrutura robusta de simulação que pode lidar com a física complexa envolvida, incluindo interações multifásicas, turbulência e mudança de fase, permitindo otimização de bicos, parâmetros de processo e formulações de materiais.

Física Governante de Fluxos de Jato e Spray

Fluxos de jato e pulverização envolvem uma combinação de fenômenos de dinâmica de fluidos:

  • Formação e estabilidade de jatos:] Um líquido de alta velocidade ou fluxo de gás sai de um bocal. O jato pode permanecer laminar, transição para turbulência ou quebrar em gotículas devido a instabilidades (Rayleigh-Plateau, stripping aerodinâmico, etc.).
  • Atomização: A separação de um jato líquido em gotículas é impulsionada por tensão superficial, forças viscosas e arrasto aerodinâmico. Atomização primária ocorre perto do bico, enquanto a ruptura secundária ocorre mais abaixo.
  • Transporte de resíduos e dispersão: Uma vez formado, as gotas são transportadas pela fase do gás, sujeitas a arrasto, gravidade, turbulência e, por vezes, evaporação ou coalescência.
  • Impingement e deposição:] Gotículas impactam na superfície alvo, espalhando, rebote ou recobrindo a superfície dependendo da energia de impacto e propriedades do material.
  • Interações multifásicas: Fases líquida e gasosa trocam momento, massa e energia. Evaporação ou condensação podem ocorrer no resfriamento por pulverização ou pintura com solventes voláteis.

Simular esses processos requer a resolução das equações de Navier-Stokes (possivelmente com transferência de calor) juntamente com um modelo multifásico e um modelo de turbulência. COMSOL Multiphysics® oferece várias interfaces que podem ser acoplada para capturar essas física com precisão.

Módulos CFD COMSOL para simulação de jato e pulverização

O COMSOL Multiphysics® fornece interfaces físicas dedicadas sob o Módulo CFD e o Módulo de Fluxo Multifásico . As interfaces-chave incluem:

  • Fluxo de fase única: Para jatos turbulentos básicos sem mudança de fase (utilizados para jatos de gás ou jatos líquidos sem interrupção).
  • Fluxo de duas fases, conjunto de níveis ou campo de fase: Para rastrear interfaces afiadas entre fluidos imiscíveis, adequados para a ruptura de jato e formação de gotas nas proximidades do bocal.
  • Flow de duas fases, modelo de mistura: Para fluxos dispersos onde uma fase é distribuída na outra (por exemplo, pulverização com fração de volume moderada).
  • Módulo de Traçamento de Partículas: Para modelar gotas discretas como partículas sujeitas a forças, permitindo simulação eficiente de pulverizações diluídas em grandes domínios.
  • Interação Fluido-Estrutura (FSI): Quando a deformação ou vibração do bico afeta o jato (por exemplo, na impressão a jato de tinta).

A escolha do modelo certo depende do regime físico, da escala de interesse e dos recursos computacionais.

Selecionar um Modelo de Turbulência

A turbulência está quase sempre presente nos fluxos de jato e pulverização. O COMSOL oferece vários modelos de Navier-Stokes (RANS) médios Reynolds e recursos de simulação de Eddy (LES) (através do Módulo CFD). Para simulações de fabricação, os modelos RANS são padrão:

  • k-ε modelo: Amplamente utilizado para fluxos de cisalhamento livres, como jatos. Funciona bem para a mistura de campo distante, mas pode prever-se que se espalhe para fluxos de giro fortes.
  • k-ω SST: Combina a robustez do k-ω perto das paredes com o k[-ε em cisalhamento livre. Bom para jatos e fluxos de parede.
  • LES: Captura estruturas transientes de eddy e pode prever mistura em escala fina e dispersão de gotas, mas a um custo computacional mais elevado. Adequado para estudos de atomização de grau de pesquisa.

Para fluxos bifásicos, modelos de turbulência podem ser aplicados na fase contínua, enquanto a fase dispersa pode exigir modelos de rastreamento estocástico (andadas aleatórias) para ter em conta os efeitos de turbulência nas gotículas.

Instalação de simulação de jato e pulverização em COMSOL

Um fluxo de trabalho típico envolve criação de geometria, definição de física, malhagem, resolução e pós-processamento. Abaixo estão os passos detalhados para uma simulação de revestimento de pulverização.

1. Definição de Geometria e Agulheta

Defina a geometria do bico (convergente, divergente ou reta) e o domínio computacional que envolve o jato. Para bicos axissimétricos, use um modelo axissimétrico 2D para reduzir a computação; para bicos não axissimétricos ou múltiplos, é necessário um domínio 3D. O domínio deve estender-se bastante a jusante para capturar a dispersão e evaporação. Condições de limite:

  • Início: Definir velocidade ou caudal mássico na saída do bico, juntamente com a intensidade de turbulência e a escala de comprimento. Para um jato líquido, especificar a fração de fase (1 para líquido).
  • Saída: Saída de pressão ou limite aberto com fluxo reprimido.
  • Muros: Sem deslizamento para superfícies sólidas; a escorregadura pode ser usada para paredes longe do jato.
  • Simetria ou Eixo:] Utilização para modelos 2D.

Para simulações multifásicas, a condição de entrada deve incluir a composição da fase. Para injeção de pulverização (Péculas Tracing), definir os pontos de injeção, distribuição do tamanho das gotas (por exemplo, Rosin-Rammler), velocidade inicial e propriedades do material.

2. Propriedades de fluidos e modelos de materiais

Defina densidade, viscosidade, tensão superficial e (se aplicável) pressão de vapor e calor latente. Propriedades dependentes da temperatura são importantes para o resfriamento de pulverização ou revestimento quente. Para fluidos não-newtonianos (pinturas, pastas), o modelo Carreau ou a lei da energia podem ser usados na seção propriedades de fluidos.

3. Geração de malha

A mistura é fundamental para capturar a separação de jatos e a formação de gotas. Use uma malha fina perto da saída do bico onde os gradientes são mais altos. Para os métodos de rastreamento de interfaces (Set de Nível/Campo de Fase), a malha deve resolver a espessura da interface (normalmente 3-5 células na interface). O refinamento de malha adaptativa pode ser usado para refinar dinamicamente regiões com alta curvatura de interface ou gradientes de velocidade fortes. Para o rastreamento de partículas (abordagem Lagrangeana), uma malha mais grossa pode ser suficiente, mas a fase contínua ainda deve resolver escalas de turbulência se o acoplamento for bidirecionado.

4. Configuração do Solucionador

Os fluxos de jato e pulverização são frequentemente transitórios. Use um solucionador dependente do tempo com um pequeno passo de tempo para capturar a dinâmica de ruptura. O passo de tempo implícito da COMSOL (BDF ou alfa generalizado) é robusto para problemas rígidos. Para jatos de estado estacionário (por exemplo, um jato de gás contínuo sem ruptura), um solucionador estacionário pode ser usado com uma abordagem pseudo- timestep. Habilite métodos de estabilização (difusão de linha de corrente, difusão de vento cruzado) para fluxos dominados por convecção. Para problemas multifásicos, os métodos de passo fracionário (engate de pressão- velocidade) funcionam bem em COMSOL.

5. Abordagens de modelagem multifásica

Diferentes estratégias de modelagem se aplicam dependendo da densidade de pulverização:

  • Eulerian-Eulerian (Flow bifásico, modelo de mistura): Trata tanto líquido quanto gás como contínua interpenetrante. Melhor para pulverizadores densos onde as gotículas interagem e a fração de volume é >0,1%. Requer modelos de fechamento para forças interfases (drag, lift, massa virtual).
  • Euleriano-Lagrangeano (Traçador de partículas): Rastreia gotículas individuais como partículas. Adequado para pulverizações diluídoras (fração de volume < 0,1%). O acoplamento unidirecional ou bidirecional pode ser usado. O acoplamento bidirecional inclui o momento e a transferência de calor de partículas para fluido. Esta abordagem é eficiente para simulações em larga escala onde a distribuição de tamanho das gotas importa.
  • Volume de Fluido (VOF):] Captura a interface de gás líquido exata e é ideal para atomização primária perto do bico. No entanto, requer alta resolução de malha e é computacionalmente caro para cones de pulverização inteiros. Muitas vezes usado em um pequeno domínio perto do bico, com as gotas resultantes sendo transferidas para um modelo Lagrangian para o campo distante.

O COMSOL implementa os métodos de campo de nível e fase para capacidades tipo VOF, enquanto o rastreamento de partículas é coberto pelo Módulo de Traçamento de Partículas. Para acoplamento, recursos de link ao vivo ou transferência manual de dados pode ser empregado.

Analisando os Resultados da Simulação

O pós-processamento em COMSOL fornece informações ricas:

  • Campos de Velocidade e Turbulência: Visualize o núcleo do jato, o ângulo de propagação e a intensidade da turbulência. Extraia perfis radiais em várias localizações axiais.
  • Distribuição de fase: Para o VOF/Level Set, plote a fração de volume líquido para ver a forma do jato e pontos de ruptura. Para Lagrangian, plote posições de partículas coloridas por tamanho ou velocidade.
  • Distribuição do tamanho da gota: Use dados de partículas para calcular histogramas; medidas estatísticas como diâmetro médio Sauter (SMD) são fundamentais para a qualidade do revestimento.
  • Formação de filme de parede: Quando as gotículas impactam uma parede, espessura e cobertura do filme de pista. A interface de fluxo de filme da COMSOL pode ser acoplada a filmes líquidos finos.
  • Transferência de calor e massa: Para refrigeração por pulverização, avaliar a distribuição de temperatura na superfície alvo e a taxa de evaporação das gotículas.

Relatórios e animações podem ser gerados para comunicar descobertas para equipes de design.

Aplicações em Processos de Fabricação

As simulações de jato e pulverização em COMSOL atendem a uma ampla gama de necessidades industriais:

Revestimento e pintura

Na pintura por pulverização, a uniformidade da espessura do revestimento é primordial. Simulações ajudam a otimizar a geometria do bico, a pressão do ar de atomização e a distância de impasse. Ao modelar o transporte de gotas e o impacto na parede, os engenheiros podem reduzir o excesso de pulverização (resíduo de material) e alcançar o acabamento desejado. A simulação também pode ser responsável pela evaporação do solvente que afeta a viscosidade e deposição das gotas. Por exemplo, um estudo usando COMSOL comparou diferentes projetos de bicos e mostrou uma melhoria de 15% na uniformidade do revestimento, ajustando o ângulo de rotação.

Refrigeração por pulverização

O resfriamento por pulverização é usado em refinamento metálico, gerenciamento térmico eletrônico e temperamento de vidro. A eficácia depende do tamanho da gota, velocidade e molhabilidade superficial. As simulações COMSOL podem acoplar fluxo de fluidos, transferência de calor e mudança de fase para prever taxas de resfriamento e evitar tensões térmicas. Os engenheiros podem testar diferentes refrigerantes, padrões de pulverização e matrizes de bico sem protótipos físicos.

Dispensa de material e impressão 3D

Impressão de jato de tinta e fabricação de aditivos utilizam separação controlada de jato para depositar gotículas. Simulações ajudam a alcançar formação de gotas estável (sem gotículas de satélite), colocação precisa e tamanho consistente. O fluxo bifásico da COMSOL com ângulo de contato dinâmico permite modelar o impacto de gotas e fundir em um substrato em movimento. Para ajeitamento de ligante ou impressão aerossol, o rastreamento de partículas pode prever precisão de deposição.

Atomização para a combustão e a secagem por pulverização

Embora menos comum na fabricação, a atomização por pulverização em processos químicos (por exemplo, secagem por pulverização de pós) beneficia da simulação CFD. COMSOL pode modelar a interação de vários jatos e a cinética de secagem, garantindo a qualidade do produto. A abordagem Lagrangiana, juntamente com transferência de calor e massa, é usada para prever o teor de umidade gota.

Limpeza e explosão abrasiva

Os jatos líquidos de alta velocidade são usados para limpeza ou corte de superfície. A simulação ajuda a determinar a pressão do jato e a distância de impasse necessária para remover contaminantes sem danificar o substrato. Para jatos de água abrasivos, partículas adicionadas ao fluxo podem ser modeladas através de rastreamento de partículas com modelos de erosão.

Desafios e melhores práticas

Simulando jato e fluxo de pulverização vem com dificuldades:

  • Custo computacional: A resolução da atomização primária requer malhas finas e pequenos passos de tempo. Usando modelos híbridos (VOF perto do bico, Lagrangian a jusante) ou modelos avançados de parede LES pode reduzir o custo.
  • Modelar a separação: Os modelos de separação primária e secundária não são totalmente preditivos. Os engenheiros muitas vezes dependem de correlações empíricas para distribuição de tamanho de gotas como entrada. O COMSOL permite expressões definidas pelo usuário para parâmetros de injeção.
  • Interação de interface de turbulência: Em simulações VOF, modelos de turbulência podem sobre-damp instabilidades de interface. As abordagens de resolução de escala (LES) são superiores, mas mais caras.
  • Sensibilidade à condição limite: O fluxo interno do bico influencia o perfil de saída do jato. Incluindo o interior do bico na simulação pode melhorar a precisão.
  • Validação: Compara sempre os resultados de simulação com dados experimentais (por exemplo, fotografia de alta velocidade, anemometria de fase Doppler) para calibrar modelos.

Exemplo: Simulando um bico de spray de tinta

Para ilustrar, considere um bico típico de spray de tinta assistido por ar. O modelo inclui um canal líquido interno e um anel de ar externo. Usando uma geometria axissimétrica 2D, definimos a velocidade de entrada do líquido e a velocidade de entrada do ar, tanto com intensidade de turbulência 5% e escala de comprimento 1 mm. O modelo multifásico usa o Modelo de Mistura (Eulerian- Eulerian) porque o spray é moderadamente denso. O líquido é uma pintura de corte-deformação (modelo Carreau), e o gás é ar padrão. A malha é refinada perto da saída do bico (0,05 mm). Um solucionador transiente corre por 0,1 s com um passo de 1e-5 s. Os resultados mostram o núcleo do jato líquido, a sua quebra em ligamentos e gotas, e o ângulo do cone de pulverização. Ao ajustar a relação massa ar-líquido, a gota SMD muda de 50 μm para 30 μm, melhorando a suavização do revestimento.

Recursos externos

Para mais informações, consultar a seguinte documentação COMSOL e recursos conexos:

Conclusão

Simulando fluxos de jato e pulverização em COMSOL Multiphysics® fornece aos engenheiros de fabricação uma ferramenta poderosa para otimizar processos que vão desde revestimento até resfriamento por pulverização. Ao selecionarem modelos adequados de turbulência e multifásicos, construir cuidadosamente a malha e validar contra experimentos, previsões significativas de tamanho de gotas, padrão de pulverização e deposição podem ser obtidas. Esses insights levam a desperdício reduzido, melhoria da qualidade do produto e ciclos de desenvolvimento mais curtos. À medida que a potência computacional e técnicas de modelagem avançam, a fidelidade dessas simulações só aumentará, tornando o CFD uma parte indispensável do projeto de fabricação.