شبیه سازی عددی جریان سیال، انتقال حرارت و تغییر فاز در تکنولوژی پوشش لیزری

در این پژوهش به شبیه سازی عددی فرآیند پوشش لیزری با پاشش پودر هم مرکز بر مبنای مدل نسبت حجمی سیال و روش آنتالپی پرداخته شده است. در تکنولوژی پوشش لیزری, ابتدا سطح جسم توسط لیزر ذوب و سپس ذرات پودر (از فلز مورد نظر) به درون حوضچه مذاب پاشیده شده و با عبور لیزر منجمد می شوند تا لایه ای مستحکم را تشکیل دهند. پارامترهای فراوانی بر عرض، ارتفاع و همواری پوشش و میزان اختلاط زیرلایه با پوشش تاثیرگذارند. جهت شبیه سازی فرآیند پوشش لیزری, برنامه دوبعدی و گذرای موجود برای جریان سیال تراکم ناپذیر همراه با سطح آزاد توسعه داده شده است. بدین منظور معادله انرژی به روش آنتالپی به برنامه موجود افزوده شده و مدلسازی فرآیند تغییرفاز برای یک سیال را ممکن ساخته است. همچنین مقایسه نتایج عددی با حل های تحلیلی ساده, انطباق مناسبی را نشان می دهد. برنامه موجود برای حل مسائل چندفاز (جامد, مایع و گاز) مناسب است و معادلات پیوستگی, ناویراستوکس و انرژی بر هر سه فاز حل می شوند. در روش آنتالپی, معادله انرژی به کمک تبدیل کیرشهف و ضریب گرمای ویژه, بصورت تابعی از متغیر آنتالپی بازنویسی می شود؛ پس از حل معادله انرژی در تمام حوزه حل, نواحی با آنتالپی منفی جامد محسوب شده و با توجه به روش سرعت ساکن, سرعت این نقاط صفر قرار داده می شود. همچنین, برای نواحی خمیری که هر دو فاز جامد و مایع حضور دارند از روش کسر حجمی مایع-جامد که مشابه روش نسبت حجمی سیال است استفاده می شود و بر این اساس معادلات ناویراستوکس اصلاح شده است. همانطور که می دانیم آنتالپی دو سیال مختلف حتی در صورت برابری دمای آن ها متفاوت است که باعث بروز انتقال حرارت کاذبی در نواحی فصل مشترک دو سیال خواهد شد. برای برطرف ساختن این مشکل, معادله انرژی بصورت تابعی از متغیر دما بازنویسی شده و در فصل مشترک و فاز گازی مورد استفاده قرار می گیرد. در پژوهش حاضر, امکان مدلسازی چندفاز با خواص ترمودینامیکی کاملا متفاوت و تابع دما وجود دارد. با توجه به پیچیدگی فرآیند پوشش لیزری که حل تحلیلی نداشته و نتایج آزمایشگاهی محدودی برای آن موجود است, صحت و دقت نتایج با حل های تحلیلی ساده تر (برای پدیده های هدایت خالص, ترکیب هدایت وجابجایی وتغییر فاز) مقایسه شده و تطبیق مناسبی را نشان می دهد. همچنین تست های عددی دیگری (همچون هدایت خالص از قطره ساکن, حرکت قطره درون سیال, برخورد قطره با دیواره جامد) صورت گرفته که بر نتایج سایر محققین منطبق است. در ادامه, بررسی فرآیند پوشش لیزری با تزریق پودر انجام گرفته است. برای این منظور, ابتدا لیزر به صورت چشمه سطحی و توزیع شدت گوسین برای مدت زمان معینی به سطح زیرلایه اعمال می شود . پس از تشکیل حوضچه مذاب, لیزر با سرعت ثابت شروع به حرکت کرده و ذرات پودر جامد با سرعت و فاصله معینی نسبت به سطح پاشش می شوند. ذرات پودر بصورت متوالی و به فاصله زمانی و مکانی مشخصی نسبت به یکدیگر پاشیده و موجب ایجاد پوشش خواهند شد. مدلسازی انجام شده امکان بررسی انتقال حرارت در زیرلایه و گاز, تاثیر برخورد ذرات بر شکل و توزیع دما در حوضچه مذاب و شکل نهایی پوشش ایجاد شده را فراهم می آورد.