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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
During the past two decades, the Electrostatic Rotary Bell Sprayers (ERBSs), because of
their superior transfer efficiency (TE) and coating performance, lower environmental
destructive effects and cost decrement, attract the attention of many researchers in the
coating industry. In this thesis, we developed a 3D comprehensive Eulerian-Lagrangian
algorithm in order to investigate the fundamental behaviors of the flow in an
electrostatic rotary bell sprayer (ERBS) during the formation of the droplets and
depositing on a target. This efficient extended algorithm contains a model for airflow
field, spray dynamics, electric field, droplet charge, droplet trajectory tracking and wall
film dynamics. The fluid-dynamics is simulated by solving the unsteady 3D
compressible Navier-Stokes equations. Unsteady flow is computed by using a Large
eddy simulation (LES) turbulence approach, while the motion of the particles is
simulated by tracking the droplet size distribution approach. The algorithm is
implemented under the framework of the OpenFOAM package.
Creating an initial condition of the particle approach has been proposed that is
matched with practical applications. The present work contains a systematic analysis of
the recirculation zone length, the toroidal vortex, the overspray phenomena and the
flowfield characteristics like mean velocity, pressure, turbulent kinetic energy and
velocity fluctuation. Also, the presented results describe exact values for the size,
distribution, velocity, and trajectory of the particles in the ERBS. These results are
important for coating industries to optimize their working conditions. The effect of
operational parameters like bell rotational speed, shaping air and paint flow rate,
electrical charge values and droplet size distributions are considered precisely. The
results indicate as a main operating parameter the air-paint flow rate with voltage level
deeply affecting the spray shape. The effect of the bell rotational speed in comparison
with other parameters is dominant. The paint spray distribution obtained in the
present work is validated against coating experimental results with suitable accuracy.
Investigation of the various primary and secondary breakup models is one of the main
goals of this work to predict the droplet size more precisely. The Reitz-KHRT, Reitz-
Diwakar, Pilch-Erdman and the newly modified TAB model are examined in order to
predict the secondary breakup process in the ERBS. Here, the implemented wall film
function is able to predict the transport in the boundary layer over the target. This
study also presents a performance evaluation of the ERBS with a particular focus on
droplet charge, electric field, ambient conditions with the implementation of a highvoltage
control-ring field pattern effect into the fully turbulent airflow and by including
the atomized droplets discrete phase. The results indicate that the new proposal of using a control-ring operation improves the performance and transfer efficiency (TE) of
the ERBS, and it also helps to harmonize the direction of the charged paint droplets.
Furthermore, a novel electrostatic spraying system by using high-voltage retractable
blades or high-voltage adjustable control ring is also presented in the current study as a
recent patent.
Also, some other useful applications of the implemented code are presented. First, the
modified spraying part of the code is used, leading to a deeper understanding of the
saliva-disease-carrier droplets transmission mechanisms as an atomized droplets
during sneezing, coughing, or even exhaling. This is particularly important to ensure
safety conditions in the work environment. Second, the implemend electrical field that
was added to the code is considered without injecting droplets to accurately simulate
the plasma flow by using a multi dielectric-barrier-discharge (DBD) plasma actuator
over a 3D-airfoil difference. This shows the versatility of the developed model.
Durante as últimas duas décadas os pulverizadores electroestáticos de bocal rotativo (ERBSs) atraíram a atenção de diversos investigadores da indústria de revestimentos devido possuírem uma eficiência de transferência (TE) e desempenho de revestimento elevados, possuem ainda efeitos ambientais mais reduzidos e contribuem para a diminuição de custos. Nesta tese foi desenvolvido um algoritmo 3D integrado Euleriano-Lagrangiano de modo a investigar os comportamentos fundamentais do escoamento num pulverizador electroestático de bocal rotativo (ERBS), em particular durante a formação das gotículas e respetiva deposição no alvo. Este algoritmo, que mostrou ser eficiente, contêm um modelo para o campo de escoamento de ar, inclui a dinâmica da pulverização, o campo elétrico, a carga nas gotículas, e ainda a monitorização da trajetória das gotículas e a dinâmica da película de parede. A dinâmica de fluidos é simulada pela resolução das equações de Navier-Stokes para escoamento compressível 3D. O escoamento é do tipo não-estacionário e a turbulência é modelada usando uma abordagem “Large eddy Simulation” (LES), enquanto o movimento das partículas é simulado por uma metodologia de seguimento que considera a distribuição e tamanho das gotículas. O algoritmo de cálculo é implementado na estrutura do pacote OpenFOAM. É proposta uma condição inicial para a distribuição das partículas no ERBS a qual corresponde às condições experimentais em aplicações práticas. O presente trabalho contém uma análise sistemática do comprimento da zona de recirculação, do vórtice toroidal, do fenómeno de pulverização excessiva e das características do campo de escoamento tais como: velocidade média, pressão, energia cinética turbulenta e flutuações de velocidade. Além disso, os resultados apresentados descrevem valores exatos de tamanho, distribuição, velocidade e trajetória das partículas no ERBS. Estes resultados são importantes para a indústria de revestimentos, em particular para otimizar as suas condições de funcionamento. O efeito dos parâmetros de funcionamento, tais como: velocidade de rotação do bocal, ar de conformação, caudal de tinta, valores de carga elétrica e distribuições de tamanho das gotículas são considerados com precisão. Os resultados indicam que o caudal de escoamento de ar-tinta e a tensão aplicada como parâmetros principais de funcionamento, os quais afetam profundamente a forma da pulverização. O efeito da velocidade de rotação do bocal, em comparação com outros parâmetros, é dominante. A distribuição de tinta pulverizada obtida no presente trabalho foi validada em comparação com resultados experimentais de revestimento, tendo mostrado uma precisão adequada. A investigação dos diversos modelos de separação, primários e secundários, é um dos principais objetivos deste trabalho, em particular de modo a prever o tamanho das gotículas com precisão. Os modelos de Reitz-KHRT, Reitz- Diwakar, Pilch-Erdman e um novo modelo TAB modificado são examinados com cuidado de modo a prever o processo de separação secundária no ERBS. A função de cálculo da pelicula na parede, que também foi implementada, é capaz de prever o transporte na camada limite sobre o alvo. Este estudo também apresenta uma avaliação de desempenho do ERBS com foco particular na carga das gotículas, no campo elétrico, nas condições ambientes, nomeadamente através da proposta e implementação de um anel de efeito sobre o campo elétrico que, por sua vez, influencia o escoamento de ar turbulento e ainda a fase discreta das gotículas atomizadas. Os resultados indicam que o funcionamento do anel de controlo melhora o desempenho e a eficiência de transferência (TE) do ERBS e, para além disso, ajuda a harmonizar a direção das gotículas de tinta carregadas. Também, um novo sistema de pulverização eletrostática usando lâminas retráteis de alta tensão ou anel de controle ajustável de alta tensão é apresentado no estudo atual como uma patente recente. Além disso, são ainda apresentadas outras aplicações para o código implementado, as quais mostram a sua utilidade e versatilidade. Primeiramente, o modelo mais sofisticado da pulverização é usada para obter um conhecimento mais aprofundado sobre os mecanismos de transmissão de doenças transportadas por gotículas de saliva, como sejam gotículas atomizadas pelo espirro, tosse ou respiração. Numa outra aplicação, foi usado o modelo do campo elétrico implementado, sem injeção de gotículas, de modo a simular de forma precisa o escoamento do plasma, provocado pela diferença de potencial, em múltiplos atuadores a plasma de barreira dielétrica de descarga (DBDPA), neste caso sobre um perfil alar 3D.
Durante as últimas duas décadas os pulverizadores electroestáticos de bocal rotativo (ERBSs) atraíram a atenção de diversos investigadores da indústria de revestimentos devido possuírem uma eficiência de transferência (TE) e desempenho de revestimento elevados, possuem ainda efeitos ambientais mais reduzidos e contribuem para a diminuição de custos. Nesta tese foi desenvolvido um algoritmo 3D integrado Euleriano-Lagrangiano de modo a investigar os comportamentos fundamentais do escoamento num pulverizador electroestático de bocal rotativo (ERBS), em particular durante a formação das gotículas e respetiva deposição no alvo. Este algoritmo, que mostrou ser eficiente, contêm um modelo para o campo de escoamento de ar, inclui a dinâmica da pulverização, o campo elétrico, a carga nas gotículas, e ainda a monitorização da trajetória das gotículas e a dinâmica da película de parede. A dinâmica de fluidos é simulada pela resolução das equações de Navier-Stokes para escoamento compressível 3D. O escoamento é do tipo não-estacionário e a turbulência é modelada usando uma abordagem “Large eddy Simulation” (LES), enquanto o movimento das partículas é simulado por uma metodologia de seguimento que considera a distribuição e tamanho das gotículas. O algoritmo de cálculo é implementado na estrutura do pacote OpenFOAM. É proposta uma condição inicial para a distribuição das partículas no ERBS a qual corresponde às condições experimentais em aplicações práticas. O presente trabalho contém uma análise sistemática do comprimento da zona de recirculação, do vórtice toroidal, do fenómeno de pulverização excessiva e das características do campo de escoamento tais como: velocidade média, pressão, energia cinética turbulenta e flutuações de velocidade. Além disso, os resultados apresentados descrevem valores exatos de tamanho, distribuição, velocidade e trajetória das partículas no ERBS. Estes resultados são importantes para a indústria de revestimentos, em particular para otimizar as suas condições de funcionamento. O efeito dos parâmetros de funcionamento, tais como: velocidade de rotação do bocal, ar de conformação, caudal de tinta, valores de carga elétrica e distribuições de tamanho das gotículas são considerados com precisão. Os resultados indicam que o caudal de escoamento de ar-tinta e a tensão aplicada como parâmetros principais de funcionamento, os quais afetam profundamente a forma da pulverização. O efeito da velocidade de rotação do bocal, em comparação com outros parâmetros, é dominante. A distribuição de tinta pulverizada obtida no presente trabalho foi validada em comparação com resultados experimentais de revestimento, tendo mostrado uma precisão adequada. A investigação dos diversos modelos de separação, primários e secundários, é um dos principais objetivos deste trabalho, em particular de modo a prever o tamanho das gotículas com precisão. Os modelos de Reitz-KHRT, Reitz- Diwakar, Pilch-Erdman e um novo modelo TAB modificado são examinados com cuidado de modo a prever o processo de separação secundária no ERBS. A função de cálculo da pelicula na parede, que também foi implementada, é capaz de prever o transporte na camada limite sobre o alvo. Este estudo também apresenta uma avaliação de desempenho do ERBS com foco particular na carga das gotículas, no campo elétrico, nas condições ambientes, nomeadamente através da proposta e implementação de um anel de efeito sobre o campo elétrico que, por sua vez, influencia o escoamento de ar turbulento e ainda a fase discreta das gotículas atomizadas. Os resultados indicam que o funcionamento do anel de controlo melhora o desempenho e a eficiência de transferência (TE) do ERBS e, para além disso, ajuda a harmonizar a direção das gotículas de tinta carregadas. Também, um novo sistema de pulverização eletrostática usando lâminas retráteis de alta tensão ou anel de controle ajustável de alta tensão é apresentado no estudo atual como uma patente recente. Além disso, são ainda apresentadas outras aplicações para o código implementado, as quais mostram a sua utilidade e versatilidade. Primeiramente, o modelo mais sofisticado da pulverização é usada para obter um conhecimento mais aprofundado sobre os mecanismos de transmissão de doenças transportadas por gotículas de saliva, como sejam gotículas atomizadas pelo espirro, tosse ou respiração. Numa outra aplicação, foi usado o modelo do campo elétrico implementado, sem injeção de gotículas, de modo a simular de forma precisa o escoamento do plasma, provocado pela diferença de potencial, em múltiplos atuadores a plasma de barreira dielétrica de descarga (DBDPA), neste caso sobre um perfil alar 3D.
Description
Keywords
Pulverizador Electroestático de Bocal Rotativo (ERBS) Modelo Numérico de Revestimento por Pulverização OpenFOAM Bicos de Injeção de Ar de Conformação Large Eddy Simulation (LES) Separação de Gotículas Espessura da Pelicula de Revestimento Diâmetro Médio de Sauter (SMD) Escoamento de Ar de Conformação Partículas Carregadas Simulação de Pintura Electroestática Bocal Rotativo de Alta Velocidade Distribuição de Tamanho de Gotículas Rácio Carga-massa Trajetória de Partículas Anel de Controlo de Alta Tensão Gotículas de Saliva Transportadoras de Doença Atuadores a Plasma Controlo Ativo de Escoamento