haku: @keyword turbulenssi / yhteensä: 12
viite: 5 / 12
| Tekijä: | Pinomaa, Tatu |
| Työn nimi: | Thermal spray process modeling: A focus on gas dynamics and particles in-flight |
| Termisen ruiskutuksen prosessimallinnus: Kaasuvirtaus ja hiukkasten simulointi | |
| Julkaisutyyppi: | Diplomityö |
| Julkaisuvuosi: | 2013 |
| Sivut: | 59 Kieli: eng |
| Koulu/Laitos/Osasto: | Perustieteiden korkeakoulu |
| Oppiaine: | Fysiikka (laskennallinen fysiikka) (Tfy-105) |
| Valvoja: | Nieminen, Risto |
| Ohjaaja: | Holmberg, Kenneth ; Laukkanen, Anssi |
| Digitoitu julkaisu: | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/100782 |
| OEVS: | Digitoitu arkistokappale on julkaistu Aaltodocissa
|
| Sijainti: | P1 Ark Aalto 2 | Arkisto |
| Avainsanat: | thermal spray HVOF compressible flow combustion turbulence OpenFOAM particle modeling terminen ruiskutus HVOF kokoonpuristuva virtaus palaminen turbulenssi OpenFOAM hiukkasten mallinnus |
| Tiivistelmä (fin): | Tässä työssä tutkitaan teolliseen käyttöön soveltuvaa pinnoitusmenetelmää, suurnopeusliekkiruiskutusta (high-velocity oxy-fuel thermal spray, HVOF), jonka avulla voidaan parantaa esimerkiksi materiaalien kulumisen- ja lämmönkestävyyttä. HVOF-menetelmä on luonteeltaan monimutkainen, ja sisältää lukuisia säädettäviä ominaisuuksia. Laskennallisen mallin avulla voidaan ymmärtää paremmin esiintyvien ilmiöiden välisiä voimasuhteita, ja mallinnusta voidaan hyödyntää parempien pinnotteiden laatimiseen. Tämän tutkielman tavoitteena on luoda malli HVOF-menetelmän kaasuvirtaukselle, ja tästä aiheutuvalle pinnoitusjauheen kiihtymiselle ja sulamiselle. Ensimmäisessä vaiheessa kaasuvirtaus ratkaistaan ilman pinnoitusjauhetta, olettaen että jauheen massavuo on merkityksetön kaasuvirtaan verrattuna. Ongelman laskennallista vaativuutta saadaan pienennettyä olettamalla kaasuvirtaus sylinterisymmetriseksi. Kaasuvirtaus ratkaistaan käyttämällä kokoonpuristuvaa Navier-Stokesin yhtälöä, ja turbulenssia kuvataan renormalisaatio-ryhmäteoriaan perustuvalla muunnelmalla k-epsilon -mallista. Polttoaineen palamista kuvataan eddy-dissipation -mallin avulla. Kaasulajien ja lämmön diffuusio huomioidaan Schmidtin ja Prandtlin lukuihin pohjautuen. Kaasuvirtaus ratkaistaan käyttäen vapaaseen lähdekoodiin perustuvaa C++ kirjastoa OpenFOAM, jonka ratkaisija rhoCentralFoam muokataan tukemaan useampaa kaasulajia. Pinnoitushiukkasten oletetaan olevan toisistaan riippumattomia, ja yksittäisiä hiukkasia simuloidaan käyttäen Matlab-ohjelmistoa. Hiukkasten kiihtymistä hallitsee kaasun raahausvoima, ja niiden lämpeneminen määräytyy lämmönjohtumisesta sekä säteilystä kaasun ja hiukkasten välillä. Laskettua kaasuvirtausta ja pinnoitusjauheen lennonaikaista tilaa verrataan kirjallisuudesta löytyviin laskelmiin ja kokeisiin. Kaasuvirtaus on hyvin yhteensopiva sekä kokeiden että aikaisempien laskennallisten tulosten kanssa, lukuun ottamatta vapaan suihkun leviämisen yliarviointia. Hiukkasten kiihtyminen ja lämpeneminen on keskinkertaisesti yhteensopiva kirjallisuuden kanssa. Rakennettu malli yliarvioi törmäystä edeltävää hidastumista. Hiukkasten lämpenemistä aliarvioidaan järjestelmällisesti, kuitenkin suhteellisen pienellä virheellä. |
| Tiivistelmä (eng): | This work studies an industrial coating method called high-velocity oxy-fuel thermal spray (HVOF), which can be used to enhance material resistance to, for example, wear and heat. Due to the complexity of the HVOF process, and large number of adjustable process parameters, this process needs to be modeled; this can lead to a better understanding of the process, and consequently coatings of higher quality. The goal of this thesis is to build a model for the gas flow in HVOF, and describe the resulting coating powder acceleration and in-flight melting. Initially, the gas flow is solved without the presence of the coating powder, assuming that the coating powder mass flux is negligible. As the considered geometry is axisymmetric, only a small sector of the whole geometry is considered to reduce the computational cost of the simulation. The fluid motion is governed by a compressible Navier-Stokes equation, and the turbulence is modeled using a renormalization group variant of k-epsilon model. The oxy-fuel combustion is described using an eddy-dissipation model, and the diffusion of species and heat is modeled using Schmidt and Prandtl numbers. The computational fluid dynamics (CFD) calculations are conducted using an open source C++ package called OpenFOAM, whose solver rhoCentralFoam is modified to support multiple species. The coating particles are assumed to be independent of each other, and as a result they are simulated sequentially using Matlab. Particle acceleration is dominated by drag force due to the gas, and heat transfer is governed by heat conduction and radiation. For both the gas flow and coating particle dynamics, the results are compared to simulations and experiments found in the literature. Gas flow is found to be in adequate agreement with experiments and earlier simulations, except for a slight overprediction of the free jet spreading. Particle acceleration and heating is found to be in moderate agreement with experiments, with an overprediction of particle deceleration before impact. The particle heating is systematically underpredicted, with a relatively small error. |
| ED: | 2013-06-17 |
INSSI tietueen numero: 46895
+ lisää koriin
INSSI