Hacia una comprensión de la dinámica de fluidos multifásicos de un proceso de pulido por chorro microfluídico: un análisis numérico
Autores: Buss, Lizoel; Qi, Yongli; Heidhoff, Julian; Riemer, Oltmann; Fritsching, Udo
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Hacia una comprensión de la dinámica de fluidos multifásicos de un proceso de pulido por chorro microfluídico: un análisis numérico
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Pulido por chorro microfluídico
Partículas abrasivas
Suspensión líquida
Dinámica de fluidos computacional
Tensión de corte
Superficie de la pieza de trabajo
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
El proceso de pulido por chorro microfluídico (MFJP) es una tecnología de fabricación en la que pequeñas partículas abrasivas (como diamante, alúmina y ceria) se premixan con un fluido portador (típicamente agua) para formar una suspensión líquida que se presuriza y se expulsa a través de una boquilla para la eliminación de material. El haz de microchorro resultante, con un diámetro de salida de boquilla típico en el rango de 0.1 a 1.0 mm, impacta la superficie de la pieza de trabajo para la eliminación de material por erosión y/o abrasión y produce una superficie ultraprecisa. Este trabajo aplica un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar los fenómenos clave en la interacción de la suspensión líquida y la superficie de la pieza de trabajo. Las características de la película líquida (altura de la película, altura mínima de la película, posiciones de la altura mínima de la película y salto hidráulico) obtenidas de las simulaciones CFD se comparan con los resultados derivados de formulaciones empíricas encontradas en la literatura. Posteriormente, los resultados numéricos se utilizan para investigar la velocidad de impacto, la distribución de presión y el esfuerzo cortante causado por la suspensión en la superficie de la pieza de trabajo. Se observa que el esfuerzo cortante depende fuertemente de la presión de inyección de la suspensión líquida y depende débilmente de la concentración de la suspensión abrasiva (la suspensión líquida con diferentes densidades, viscosidades y tensiones superficiales). Además, se investiga el comportamiento de las partículas para estimar la velocidad de impacto e identificar las zonas de impacto y erosión de la suspensión líquida en la superficie de la pieza de trabajo. Los resultados numéricos indican que aproximadamente el 50% de las partículas totales impactan la superficie de la pieza de trabajo casi perpendicularmente (con un ángulo de impacto medio de aproximadamente 86 grados) por primera vez en la región de estancamiento, donde son fuertemente desaceleradas por el fluido portador antes de alcanzar la superficie de la pieza de trabajo. Sin embargo, estas partículas rebotan en la superficie y son reaceleradas por el fluido portador, impactando la superficie de la pieza de trabajo más en la dirección radial.
Descripción
El proceso de pulido por chorro microfluídico (MFJP) es una tecnología de fabricación en la que pequeñas partículas abrasivas (como diamante, alúmina y ceria) se premixan con un fluido portador (típicamente agua) para formar una suspensión líquida que se presuriza y se expulsa a través de una boquilla para la eliminación de material. El haz de microchorro resultante, con un diámetro de salida de boquilla típico en el rango de 0.1 a 1.0 mm, impacta la superficie de la pieza de trabajo para la eliminación de material por erosión y/o abrasión y produce una superficie ultraprecisa. Este trabajo aplica un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar los fenómenos clave en la interacción de la suspensión líquida y la superficie de la pieza de trabajo. Las características de la película líquida (altura de la película, altura mínima de la película, posiciones de la altura mínima de la película y salto hidráulico) obtenidas de las simulaciones CFD se comparan con los resultados derivados de formulaciones empíricas encontradas en la literatura. Posteriormente, los resultados numéricos se utilizan para investigar la velocidad de impacto, la distribución de presión y el esfuerzo cortante causado por la suspensión en la superficie de la pieza de trabajo. Se observa que el esfuerzo cortante depende fuertemente de la presión de inyección de la suspensión líquida y depende débilmente de la concentración de la suspensión abrasiva (la suspensión líquida con diferentes densidades, viscosidades y tensiones superficiales). Además, se investiga el comportamiento de las partículas para estimar la velocidad de impacto e identificar las zonas de impacto y erosión de la suspensión líquida en la superficie de la pieza de trabajo. Los resultados numéricos indican que aproximadamente el 50% de las partículas totales impactan la superficie de la pieza de trabajo casi perpendicularmente (con un ángulo de impacto medio de aproximadamente 86 grados) por primera vez en la región de estancamiento, donde son fuertemente desaceleradas por el fluido portador antes de alcanzar la superficie de la pieza de trabajo. Sin embargo, estas partículas rebotan en la superficie y son reaceleradas por el fluido portador, impactando la superficie de la pieza de trabajo más en la dirección radial.