Моделирование реактивных и распыляющих потоков в Comsol Cfd для производственных процессов

Введение в реактивные и спрей потоки в производстве

Реактивные и распылительные потоки являются центральными для многочисленных производственных процессов, в которых поток жидкости ускоряется через насадку и взаимодействует с подложкой или окружающей средой. Эти потоки характеризуются высокими скоростями, турбулентными вихрями и, во многих случаях, расщеплением непрерывной жидкой струи на дисперсные капли. Точное моделирование этих явлений позволяет инженерам прогнозировать толщину покрытия, равномерность структуры распыления, распределение размеров капель и скорости теплопередачи. COMSOL Multiphysics® обеспечивает надежную структуру моделирования, которая может обрабатывать сложную физику, включая многофазные взаимодействия, турбулентность и изменение фазы, что позволяет оптимизировать сопла, параметры процесса и составы материала.

Управляющая физика реактивных и распыляющих потоков

Реактивные и распыляющие потоки включают в себя комбинацию явлений динамики жидкости:

• Образование и стабильность реактивного двигателя: Высокоскоростной поток жидкости или газа выходит из сопла. Струя может оставаться ламинарной, переходить в турбулентность или разбиваться на капли из-за неустойчивости (Райли-Плато, аэродинамическая полоска и т. д.).
• Атомизация: Разрыв жидкой струи на капли приводится в действие поверхностным натяжением, вязкими силами и аэродинамическим сопротивлением. Первичная атомизация происходит вблизи сопла, в то время как вторичный разрыв происходит далее вниз по течению.
• Перенос капель и дисперсия: После образования капли переносят газовой фазой, подвергаясь перетаскиванию, гравитации, турбулентности, а иногда испарению или коалесценции.
• Импирование и осаждение: Капли воздействуют на поверхность цели, распространяя, отскакивая или покрывая поверхность в зависимости от энергии удара и свойств материала.
• Многофазные взаимодействия: Жидкие и газовые фазы обмениваются импульсом, массой и энергией.Испарение или конденсация могут происходить при охлаждении распылителем или окраске летучими растворителями.

Моделирование этих процессов требует решения уравнений Навье-Стокса (возможно, с теплообменом) вместе с многофазной моделью и моделью турбулентности. COMSOL Multiphysics® предлагает несколько интерфейсов, которые могут быть связаны для точного захвата этой физики.

COMSOL CFD модули для реактивного и распылительного моделирования

COMSOL Multiphysics® предоставляет специализированные физические интерфейсы в рамках модуля CFD и Многофазный модуль потока . Ключевые интерфейсы включают:

• Однофазный поток: Для базовых турбулентных струй без изменения фазы (используется для газовых струй или жидких струй без разрыва).
• Двухфазный поток, набор уровней или поле фазы: Для отслеживания резких интерфейсов между несмешивающимися жидкостями, подходящими для реактивного разрыва и образования капель в непосредственной близости от сопла.
• Двухфазный поток, модель смеси: Для дисперсных потоков, где одна фаза распределена в другой (например, распыление с фракцией умеренного объема).
• Модуль отслеживания частиц: Для моделирования дискретных капель в качестве частиц, подверженных воздействию сил, что позволяет эффективно моделировать разбавленные спреи над большими доменами.
• Взаимодействие жидкостной структуры (FSI): Когда деформация сопла или вибрация влияют на струю (например, при струйной печати).

Выбор правильной модели зависит от физического режима, масштаба интереса и вычислительных ресурсов.

Выбор модели турбулентности

Турбулентность почти всегда присутствует в потоках струй и распылителей. COMSOL предлагает несколько моделей Navier-Stokes (RANS) со средними показателями Рейнольдса и возможности моделирования больших Эдди (LES) (через модуль CFD). Для моделирования производства модели RANS являются стандартными:

• k-ε модель: Широко используется для свободных потоков сдвига, таких как струи. Он хорошо работает для смесей дальнего поля, но может чрезмерно предсказывать распространение для сильных закручивающихся потоков.
• k-ω SST: Объединяет прочность k-ω вблизи стен с k-ε в свободном сдвига. Хорошо для струй и настенных потоков.
• LES: Захватывает переходные вихревые структуры и может предсказывать мелкомасштабное смешивание и дисперсию капель, но при более высокой вычислительной стоимости. Подходит для исследований атомизации исследовательского класса.

Для двухфазных потоков модели турбулентности могут быть применены к непрерывной фазе, в то время как дисперсная фаза может потребовать стохастических моделей отслеживания (случайных прогулок) для учета эффектов турбулентности на капельках.

Настройка симулятора реактивного и распылительного аппаратов в COMSOL

Типичный рабочий процесс включает создание геометрии, определение физики, сетку, решение и последующую обработку. Ниже приведены подробные шаги для моделирования покрытия распылением.

1. Геометрия и определение сопла

Определить геометрию сопла (конвергентное, дивергентное или прямое отверстие) и вычислительный домен, окружающий струю. Для аксисимметричных сопл используйте 2D-аксисимметричную модель для уменьшения вычислений; для неаксисимметричных или множественных сопл требуется 3D-домен. Домен должен простираться достаточно далеко вниз по течению, чтобы захватывать распространение и испарение. Условия границы:

• Впуск: Установить скорость или скорость потока массы на выходе сопла, наряду с интенсивностью турбулентности и шкалой длины. Для жидкой струи укажите фазовую фракцию (1 для жидкости).
• Выход: Выход давления или открытая граница с подавленным обратным потоком.
• Стены: Стены: Без скольжения для твердых поверхностей; скольжение может использоваться для стен, удаленных от струи.
• Симметрия или ось: Использование для 2D-моделей.

Для многофазного моделирования состояние входа должно включать фазовую композицию. Для инъекций распылителя (Трассирование частиц) определяют точки впрыска, распределение размера капель (например, Розин-Раммлер), начальную скорость и свойства материала.

2. Свойства жидкости и материальные модели

Определение плотности, вязкости, поверхностного натяжения и (если применимо) давления пара и скрытого тепла. Зависимые от температуры свойства важны для распылительного охлаждения или горячего покрытия. Для неньютоновских жидкостей (краски, суспензии) модель Карро или силовое право могут использоваться в разделе свойств жидкости.

3.Сетчатое поколение

Сетка имеет решающее значение для захвата разрыва струи и образования капель. Используйте тонкую сетку вблизи выхода сопла, где градиенты являются самыми высокими. Для методов отслеживания интерфейса (набор уровней / поле фазы) сетка должна разрешать толщину интерфейса (обычно 3-5 ячеек через интерфейс). Адаптивная уточнение сетки может использоваться для динамического уточнения областей с высокой кривизной интерфейса или градиентами сильной скорости. Для отслеживания частиц (лагранжианский подход) может быть достаточно более грубой сетки, но непрерывная фаза должна по-прежнему разрешать шкалы турбулентности, если связь является двусторонней.

4. Конфигурация растворителя

Реактивные и распыляющие потоки часто являются преходящими. Для решения жестких задач можно использовать зависящий от времени решатель с небольшим шагом времени для захвата динамики разрыва. Для устойчивых струй (например, непрерывная струя газа без разрыва) COMSOL является надежным методом неподвижного растворителя (например, стационарный струйный газ без разрыва) можно использовать псевдо-временной подход. Для конвекционных потоков можно использовать методы стабилизации (стримовая диффузия, диффузия поперечного ветра). Для многофазных задач хорошо работают методы дробных шагов (сцепление давления со скоростью).

5.Многофазные моделирующие подходы

Различные стратегии моделирования применяются в зависимости от плотности распыления:

• Эвлерий-Эвлериан (Двухфазный поток, модель смеси): Относится как к жидкости, так и к газу как к взаимопроникающему континуа. Лучше всего для плотных спреев, где взаимодействуют капли и объемная фракция составляет >0,1%. Требуется закрытие моделей для межфазных сил (дрожь, подъем, виртуальная масса).
• Эвлерий-лагранжиан (Трасс частиц): Отслеживает отдельные капли в виде частиц. Подходит для разбавленных спреев (дробь объема <0,1%). Можно использовать одностороннее или двустороннее соединение. Двустороннее соединение включает импульс и теплообмен от частиц к жидкости. Этот подход эффективен для крупномасштабных симуляций, где распределение размера капель имеет значение.
• Объем жидкости (VOF): Захватывает точный жидкостно-газовый интерфейс и идеально подходит для первичной атомизации вблизи сопла. Однако он требует высокого разрешения сетки и вычислительно дорог для целых распылительных конусов. Часто используется в небольшом домене вблизи сопла, при этом полученные капли переносятся на лагранжевую модель для дальнего поля.

COMSOL реализует методы набора уровней и поля фазы для VOF-подобных возможностей, в то время как отслеживание частиц охватывается модулем отслеживания частиц. Для связи могут использоваться функции прямой связи или ручной передачи данных.

Анализ результатов моделирования

Пост-обработка в COMSOL дает богатую информацию:

• Поля скорости и турбулентности: Визуализируйте реактивное ядро, угол распространения и интенсивность турбулентности. Извлеките радиальные профили в различных осевых местоположениях.
• Распределение фазы: Для VOF/Level Set нарисуйте фракцию объёма жидкости, чтобы увидеть форму струи и точки разрыва. Для лагранжиана на графике положения частиц окрашены размером или скоростью.
• Распределение размеров капель: Использование данных о частицах для вычисления гистограмм; статистические показатели, такие как средний диаметр Sauter (SMD), имеют решающее значение для качества покрытия.
• Формирование стенок: Когда капли воздействуют на стену, следят за толщиной пленки и покрытием. Интерфейс потока пленки COMSOL может быть связан с моделированием тонких жидких пленок.
• Тепло и перенос массы: Для распыления охлаждения оцените распределение температуры на целевой поверхности и скорость испарения капель.

Отчеты и анимации могут быть созданы для передачи результатов командам разработчиков.

Применение в производственных процессах

Моделирование реактивных и распылительных систем в COMSOL позволяет удовлетворить широкий спектр промышленных потребностей:

Покрытие и живопись

В распылительной живописи первостепенное значение имеет однородность толщины покрытия. Симуляторы помогают оптимизировать геометрию сопла, давление воздуха атомизации и расстояние противостояния. Моделируя перенос капель и заслонки стен, инженеры могут уменьшить перераспыление (отходы материала) и достичь желаемой отделки. Моделирование также может учитывать испарение растворителя, которое влияет на вязкость капель и осаждение. Например, исследование с использованием COMSOL сравнило различные конструкции сопла и показало 15% улучшение однородности покрытия путем регулировки угла закручивания.

Спрей для охлаждения

Охлаждение спреем используется в металлическом тушении, электронике управления температурой и закалке стекла. Эффективность зависит от размера капель, скорости и смачиваемости поверхности. Моделирование COMSOL может сочетать поток жидкости, теплообмен и изменение фазы для прогнозирования скорости охлаждения и предотвращения тепловых напряжений. Инженеры могут тестировать различные охлаждающие жидкости, образцы распыления и форсунки без физических прототипов.

Распределение материалов и 3D-печать

В струйной печати и аддитивном производстве используются контролируемые струйные разрывы для отложения капель. Моделирование помогает достичь стабильного образования капель (без спутниковых капель), точного размещения и согласованного размера. Двухфазный поток COMSOL с динамическим углом контакта позволяет моделировать воздействие капель и слияние на движущуюся подложку. Для струйной струи связующего или аэрозольной печати отслеживание частиц может предсказать точность осаждения.

Атомизация для сжигания и сушки спреем

Хотя в производстве это менее распространено, распыление атомизации в химических процессах (например, распыление сушки порошков) выигрывает от моделирования CFD. COMSOL может моделировать взаимодействие нескольких струй и сушку кинетики, обеспечивая качество продукта. Лагранжианский подход в сочетании с теплом и массовым переносом используется для прогнозирования содержания капельной влаги.

Очистка и абразивный вспыльчивый

Для очистки или резки поверхности используются высокоскоростные жидкие струи. Моделирование помогает определить давление струи и расстояние отстоя, необходимое для удаления загрязняющих веществ без повреждения подложки. Для абразивных водометов частицы, добавленные в поток, могут быть смоделированы с помощью моделей трассировки частиц с эрозией.

Вызовы и лучшие практики

Моделирование потоков струй и распылителей сопряжено с трудностями:

• Расчетная стоимость: Для решения первичной атомизации требуются тонкие сетки и небольшие временные шаги. Использование гибридных моделей (VOF вблизи сопла, Lagrangian ниже по течению) или усовершенствованных моделей стенок LES может снизить стоимость.
• Моделирование разрыва: Модели первичного и вторичного разрыва не являются полностью прогнозирующими. Инженеры часто полагаются на эмпирические корреляции для распределения размера капель в качестве входных данных. COMSOL позволяет определять пользовательские выражения для параметров впрыска.
• Взаимодействие турбулентности и интерфейса: В симуляциях VOF модели турбулентности могут чрезмерно влажной неустойчивости интерфейса. Подходы к решению масштаба (LES) превосходят, но дороже.
• Чувствительность к пограничному состоянию: Внутренний поток сопла влияет на профиль выхода струи.Включение внутренней части сопла в симуляцию может повысить точность.
• Проверка: Всегда сравнивайте результаты моделирования с экспериментальными данными (например, высокоскоростная фотография, фазовая доплеровская анемометрия) для калибровки моделей.

Пример: имитирование сопла для краски

Для иллюстрации рассмотрим типичную воздушно-ассистированную краску-распылительную насадку. Модель включает в себя внутренний жидкий канал и внешний воздушный аннулус. Используя 2D аксисимметричную геометрию, мы устанавливаем скорость впуска жидкости и скорость впуска воздуха, как с интенсивностью турбулентности 5%, так и с длиной шкалы 1 мм. Многофазная модель использует модель смеси (Eulerian-Eulerian), поскольку распыление умеренно плотное. Жидкость представляет собой разжижающую стрижку краску (модель Карро), а газ представляет собой стандартный воздух. Сетка рафинируется вблизи выхода сопла (0,05 мм). Переходный растворитель работает в течение 0,1 с с шагом времени 1e-5 с. Результаты показывают жидкое струйное ядро, его расщепление на связки и капли, а также угол конуса распыления. При регулировке соотношения массы воздуха к жидкости капелька SMD изменяется от 50 мкм до 30 мкм, улучшая гладкость покрытия.

Внешние ресурсы

Для получения дополнительной информации обратитесь к следующей документации COMSOL и соответствующим ресурсам:

• COMSOL CFD Module — официальная страница продукта для функций и возможностей.
• COMSOL Multiphysics Documentation — Руководство пользователя по моделированию турбулентности и многофазному потоку.
• Блог Comsol — Поиск статей по распылению покрытия и примерам реактивного разрыва.
• Обзор моделирования распыления для процессов термического покрытия — Академическая статья, в которой обсуждаются подходы к CFD, имеющие отношение к производству.
• Учебная модель покрытия спреем — предварительно построенный пример из библиотеки приложений.

Заключение

Моделирование потоков струй и распылителей в COMSOL Multiphysics® предоставляет инженерам-производителям мощный инструмент для оптимизации процессов, начиная от нанесения покрытия до распыления охлаждения. Выбирая соответствующие модели турбулентности и многофазности, тщательно конструируя сетку и проверяя эксперименты, можно получить значимые прогнозы размера капель, образца распыления и осаждения. Эти выводы приводят к сокращению отходов, улучшению качества продукции и более коротким циклам разработки. По мере продвижения вычислительной мощности и методов моделирования точность таких симуляций будет только возрастать, что делает CFD неотъемлемой частью дизайна производства.