Artykuły branżowe

Symulacje numeryczne jako efektywne narzędzie do pozyskiwania wiedzy o procesie

Jak rozpada się lakier w rozpylaczu pneumatycznym? Instytut Fraunhofer IPA

pokazuje w jaki sposób dokładne zrozumienie podstaw pierwotnego rozpadu prowadzi do optymalizacji rozpylaczy i procesu.

Rozpylanie i natryskiwanie cieczy są ważnymi elementami wielu technicznych procesów i mają ogromne znaczenie gospodarcze w produkcji przedmiotów codziennego użytku. Dotyczy to w szczególności procesu lakierowania. Spore oczekiwania stawiane są zwłaszcza w stosunku do wykorzystywanych tam urządzeń rozpylających. Z jednej strony, stawia się wysokie wymagania co do wizualnej jakości wytwarzanych powłok, z drugiej strony, pożądana jest możliwie wysoka efektywność procesu. Mimo to projektowanie i optymalizacja rozpylaczy i urządzeń natryskowych następują w znacznym stopniu empirycznie, ponieważ brak jest fundamentalnej wiedzy na temat podstaw procesu pierwotnego rozpadu strumienia.

d) lakier, rozpylane powietrze 46 Nl/min, prędkość przepływu 400ml/min

Symulacja jako narzędzie do zbierania danych o procesie

Do dokładnych analiz mechanizmu rozpylania, w szczególności pierwotnego rozpadu strumienia, w pierwszej kolejności przeprowadzane są symulacje rozpylania z wykorzystaniem pistoletu powietrznego z dyszowym przepływem powietrza. Służą do tego specjalne metody i narzędzia, w tym między innymi:

- programy dynamiki płynów (CFD) z wykorzystaniem metody lokalizacji powierzchni swobodnej Volume-of-Fluid (VOF), dla opisania współzależności pomiędzy lakierem a powietrzem

- wyznaczanie długości rozpadu

- szczegółowa analiza czynników wpływających na proces pierwotnego rozpadu

- własności lakieru, jak na przykład lepkość

- parametry procesu, jak ilość lakieru i powietrza

- wpływ powietrza podawanego z dyszy na proces rozpylania

- laserowe metody do pomiaru wielkości cząstek lakieru

- wizualizacja procesu rozpylania z użyciem kamery szybkoklatkowej

Źródło: Fraunhofer IPA

W badaniach numerycznych możliwych scenariuszy rozpylania wykorzystywane są dla jego scharakteryzowania bezwymiarowe współczynniki (liczby podobieństwa), jak liczba Reynoldsa czy Webera.

Podstawowe informacje

W prawie wszystkich rozpylaczach następuje rozpad lakieru na kropelki poprzez wysoki relatywny przepływ lakieru i powietrza. W niektórych rozpylaczach, jak np. typu airless, główną rolę odgrywa przyspieszenie lakieru, w innych natomiast powietrza. Oprócz prędkości, ważnymi parametrami, które warunkują rozpylanie są także poziom turbulencji w przepływie powietrza oraz tworzenie się niejednorodnych sił ścinających. Zasadniczo rozróżnia się rozpad pierwotny w wiązadła i cząstki w pobliżu dyszy oraz rozpad wtórny niestabilnych kropelek i wiązadeł w dalszej odległości.

Odpowiednie numeryczne symulacje okazują się efektywnym narzędziem do pozyskiwania fundamentalnej wiedzy o procesie, a przez to do lepszego zrozumienia przebiegu rozpylania. Ma to szczególnie duże znaczenie dla rozwoju i dalszej optymalizacji rozpylaczy pneumatycznych, a tym samym dla procesów lakierniczych o wysokich wymaganiach jakościowych odnośnie powłok.

Wyniki symulacji

Wyniki symulacji pokazują, że w pobliżu dyszy tworzą się fale na powierzchni strumienia cieczy, co jest spowodowane wysokimi relatywnymi prędkościami lakieru i powietrza. Wynikiem tego w kolejnej fazie jest tworzenie się w lakierze niejednorodnych sił ścinających, które prowadzą następnie do powstawania nitek. Pierwotny rozpad cieczy z ukazaniem wpływu różnych własności cieczy oraz parametrów procesowych został przykładowo zobrazowany na załączonych rysunkach. Pokazany może zostać nie tylko stopień rozdrobnienia rozpylanej cieczy, ale także długość strumienia cieczy aż do rozpadu. Dla danej dyszy lakierniczej, długość rozpadu strumienia cieczy zwiększa się wraz ze wzrostem lepkości i ilości lakieru, jak również zmniejszeniem ilości powietrza w rozpylaczu.

Aby uzyskać efektywne rozpylenie, zgodnie z teorią pierwotny rozpad powinien być zakończony przed zadziałaniem dyszowego przepływu powietrza. Na podstawie wyników symulacji pierwotnego rozpylania wyznaczana jest korelacja pomiędzy długością rozpadu a dynamicznym przebiegiem ciśnienia. Następnie możliwe jest opracowanie modelu przewidywania uśrednionej średnicy kropel w oparciu o ich zmierzone wielkości.

Symulacje rozpylania pokazują także, że wpływ powietrza z dyszy dla pierwotnego rozpylania jest z reguły pomijalny. O wiele ważniejszy jest jego wpływ na wtórne rozpylanie i formowanie strumienia natryskowego. Asymetrie w obrazie natrysku mogą zostać przewidziane poprzez wyliczenie pola prędkości przepływu powietrza w pobliżu dyszy. Ich zgodność została zwalidowana poprzez eksperymentalne analizy w IPA.

Tłumaczenie z "Besser Lackieren."

Michał Bedyk

Nr 13/2015, str. 6