Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Numerical analysis of powder stream forming in detonation thermal spraying device

Piotr Michalec

Abstract

This thesis includes an analysis of powder stream forming in detonation spraying device. It is focused on the phenomena occurring throughout acceleration of powder particles applied to workpiece surface, influence of detonation wave on particle behavior and comparison of available models describing the interaction between particles and continuous gas flow, in particular drag coefficient models. ANSYS Fluent 12.1 software was used to develop a numerical model of spraying device, which allows to simulate propagation of detonation wave and multiphase flow with particles diluted behind shock wave. Additionally, calculations in CEA (Chemical Equilibrium with Applications) computational package were performed to assess reliability of Fluent results. At first stage of work, computations of single combustion cycle of propane-butane in air were conducted. Results obtained with two available flux-splitting schemes: Roe-FDS and AUSM+ were analyzed. Detonation parameters from Fluent were compared with equilibrium results from CEA package and available data regarding real phenomena. Study that has been carried out was the starting point to model a two-phase flow with Al2O3 powder. Discrete Phase Model was utilized to compute trajectories and parameters of particles entering the continuous flow. Several computational cases with different particle drag coefficient models were solved to compare results quality and characteristics of each model. In addition to models offered by Fluent, the correlation for drag coefficient of spheres in flow behind a detonation wave from literature was implemented. Finally, an analysis of synchronization of powder injection in reference to wave propagation and its influence on particle terminal velocity was performed. Results for different drag models showed significant differences in particle velocity distributions. Average velocities in individual cases were found to be lower than expected, based on available data on detonation devices performance. The conclusions were drawn regarding phenomena occuring in the flow, drag model characteristics and reliability of obtained results.  
Record ID
WUTb91e6b1c8ad446aaaef12e71e749ff8e
Diploma type
Master of Science
Author
Piotr Michalec (FPAE) Piotr Michalec,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Analiza numeryczna formowania strumienia cząstek w detonacyjnym urządzeniu natryskowym
Supervisor
Arkadiusz Kobiera (FPAE/IHE) Arkadiusz Kobiera,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
25-10-2012
Issue date (year)
2012
Pages
92
Internal identifier
MEL-PD-001987
Reviewers
Arkadiusz Kobiera (FPAE/IHE) Arkadiusz Kobiera,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
detonacja, natryskiwanie powłok, przepływy dwufazowe, symulacja numeryczna
Keywords in English
xxx
Abstract in Polish
Niniejsza praca obejmuje analizę zagadnienia formowania się strumienia proszku w detonacyjnym urządzeniu natryskowym. Skupiono się na problematyce zjawisk zachodzących podczas przyspieszania cząstek proszku nanoszonego na powierzchnię obrabianą, wpływu fali detonacyjnej na zachowanie cząstek oraz porównaniu dostępnych modeli opisujących interakcję cząstek stałych z przepływem gazów, w szczególności modeli współczynnika oporu aerodynamicznego. Wykorzystano pakiet obliczeniowy ANSYS Fluent 12.1, z użyciem którego stworzono model obliczeniowy urządzenia natryskowego pozwalający na symulację inicjacji fali detonacyjnej oraz analizę przepływu dwufazowego z rozproszonymi cząstkami proszku za falą detonacyjną. Dodatkowo przeprowadzono obliczenia w pakiecie CEA (Chemical Equilibrium with Applications), pozwalające na ocenę wiarygodności wyników modelowania detonacji gazowej w programie Fluent. Pierwszym etapem pracy były obliczenia pojedynczego cyklu spalania mieszaniny propanu-butanu z powietrzem. Przeprowadzono analizę wyników otrzymywanych przy użyciu dwóch oferowanych przez Fluenta metod rozwiązywania równań przepływu: Roe-FDS oraz AUSM+. Parametry detonacji porównano z obliczeniami równowagowymi z pakietu CEA i zestawiono z dostępnymi danymi dotyczącymi zjawisk rzeczywistych. Przeprowadzone studium obliczeń numerycznych było punktem wyjścia do zamodelowania przepływu dwufazowego z proszkiem Al2O3. Zastosowano model fazy dyskretnej – DPM, pozwalający na wyznaczenie trajektorii i parametrów cząstek wprowadzanych do przepływu. W obliczeniach wykorzystano kilka modeli współczynnika oporu cząstek i porównano otrzymywane wyniki. Poza modelami oferowanymi przez Fluenta, wykorzystano również korelację dotyczącą oporu cząstek sferycznych w przepływie za falą detonacyjną, zaczerpniętą z literatury. Przeprowadzono również analizę wpływu synchronizacji wtrysku z zapłonem na prędkość końcową cząstek. Wyniki obliczeń numerycznych dla poszczególnych modeli współczynnika oporu wykazały znaczące różnice w rozkładach prędkości osiąganych przez cząstki. Średnie prędkości cząstek okazały się niższe od spodziewanych na podstawie rzeczywistych osiągów urządzeń tego typu. Wyciągnięto wnioski na temat zjawisk zachodzących podczas pracy urządzenia, cech wykorzystanych modeli oraz poprawności otrzymanych wyników.
File
  • File: 1
    Piotr Michalec 211391 Praca Magisterska.docx
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTb91e6b1c8ad446aaaef12e71e749ff8e/
URN
urn:pw-repo:WUTb91e6b1c8ad446aaaef12e71e749ff8e

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page