تاثير سرعت اوليه برخورد، بر ديناميك، نرخ انجماد و شكل اسپلت‌ قطره توخالي، در شرايط پلاسماي حرارتي

Effect of initial impact velocity on dynamics, solidification rate and shape of formed splats of hollow droplets in thermal plasma condition

در سال‌هاي اخير استفاده از ذرات تو خالي در صنعت و در فرايند پاشش حرارتي توسعه يافته است. در ذرات توخالي بر خلاف ذرات فشرده، تغيير حجم گاز نقش مهمي در ديناميك برخورد قطره به سطح و نيز شكل اسپلت ايجاد شده ايفا مي‌كند. درفرايند پاشش حرارتي، سرعت‌هاي برخورد قطرات توخالي به سطح در محدوده 50 m/s – 300 m/s قرار دارند، از اينرو تغييرات فشار و حجم گاز محبوس مي‌تواند مهم باشد. در تحقيق حاضر با استفاده از مدل كسر حجمي سيال براي جريانات تراكم‌پذير، برخورد يك قطره توخالي به سطح و انجماد آن، در شرايط واقعي پاشش حرارتي و با سرعت‌هاي برخورد 50 m/s تا 300 m/s شبيه‌سازي شده است. در اندك لحظاتي پس از برخورد قطره به سطح يك موج فشاري در هوا ايجاد مي‌شود. اين موج، مقدار ورتيسيته را در اطراف مرز مشترك دو سيال زياد مي‌كند كه اين امر تاثير زيادي بر شكل اسپلت‌هاي بوجود آمده دارد . نتايج حاصل نشان مي‌دهد شكل اسپلت‌هاي ايجاد شده در محدوده سرعتي 50 m/s – 300 m/s كاملا متفاوت با يكديگر است و در سرعت‌هاي بالاتر برخورد، اسپلت ايجاد شده داراي تخلخل بيشتري است .

In this research, impact of a hollow droplet on a surface and its solidification in thermal plasma condition is simulated numerically. In this simulation, impact velocity of the droplet on the surface is in the range of 50 m/s-300 m/s. At first, bulk modulus of elasticity of a two phase mixture, is calculated. Using that, it is shown that a hollow droplet is more compressible than a dense droplet. For tracking interface of two fluids, volume of fluid model for compressible flow is used. The results of the research show that during droplet deformation, the density of the trapped gas reaches 289 kgm-3. This fact reveals the importance of the trapped gas compressibility. In plasma thermal spraying, impact velocities of particles to the surface is in the range of 50 m/s-300 m/s, therefore, changes in pressure and volume of the trapped gas are important. A few moments after the impact of droplet on the surface, a pressure wave is formed in the air. This wave increases the vorticity in vicinity of interface of two fluids, which has a great effect on shaping the formed splats. Simulations showed that the shape of formed splats varies with velocities in the range of 50 m/s-300 m/s. In higher velocities, the surface of the formed splat is more porous.