Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36601
ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-3551-205X
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Computational fluid dynamics application for gas-powder flow investigation in a coaxial nozzle design for additive manufacturing
Alternate title (s): Aplicação de fluidodinâmica computacional para investigação de escoamento gás-particulado no projeto de um bocal coaxial para manufatura aditiva
Author: Nunes, Leon de Morais
First Advisor: Silveira Neto, Aristeu da
First coorientator: Fiocchi, Arthur Alves
First member of the Committee: Souza, Francisco José de
Second member of the Committee: Roma, Alexandre Megiorin
Summary: Direct Energy Deposition (DED) ou Deposição de Energia Direcionada (DED) é uma das sete classes de manufatura aditiva (MA). É um processo que vem cada vez mais sendo usado para as áreas de reparo e construção de peças na indústria. A metodologia DED consiste no aquecimento até a fusão do substrato e do material depositado. Existem diferentes maneiras de realizar esta tarefa e ao longo dos anos diferentes patentes e métodos surgiram. Diferentes materiais podem ser utilizados tais como metais, cerâmicas, polímeros bem como misturas para produzir materiais compósitos. O bocal apresenta um papel importante no processo global e estudar sua influência e aspectos do seu projeto mecânico são pontos cruciais. A Fluido Dinâmica Computacional (Computational Fluid Dyanmics, CFD) é uma importante ferramenta e está sendo utilizada amplamente para um melhor e mais rápido desenvolvimento de projeto. O uso de ferramentas como o CFD para otimizar o bocal e melhorar o sistema de deposição pode ser uma rápida e eficiente forma de aumentar a eficiência global deste tipo de máquina. O modelo gás-sólido proposto na segunda etapa das simulações realizadas melhorou o conhecimento sobre o transporte de partículas utilizando um bocal, e foi verificado no mesmo que para um baixo Número de Reynolds, quanto maior o Número de Stokes maior será a Concentração de partículas. Também foi verificado que reduzindo-se o Número de Reynolds implica em um aumento na Concentração das partículas. Considerando altos Número de Reynolds, Re = 1 000 e Re = 1 250, pode-se concluir que não existiu um padrão para a Concentração de partículas, devido à aglomeração delas, modificando-se a forma das mesmas e gerando-se um corpo sólido o que implicou na modificação da força de arrasto, e, por consequência, o padrão de deposição. A pesquisa realizada nesta dissertação ajudou a entender o comportamento das partículas considerando diferente regimes de escoamento aplicados para uma variação nos Número de Reynolds e Stokes. Foi possível, também, mapear o padrão de deposição das partículas e entender os efeitos do escoamento do fluido sobre a concentração das partículas no ponto de deposição.
Abstract: Direct Energy Deposition (DED) is one of the seven Additive Manufacturing (AM) classes. It is increasingly used to repair and construct parts in the industry. The DED methodology uses heat to melt the substrate and the deposited material. There are different ways to perform this task, and over the years, additional patents and methods appeared. Other materials can be applied, such as metals, ceramics, polymers as well as mixtures, to produce composite materials. The nozzle plays an essential role in the overall process and studying its influence and mechanical design aspects is crucial. Computational Fluid Dynamics (CFD) is an important engineering tool, and it is being widely used for better and fast design. The use of a CFD tool to optimize the nozzle and improve the deposition system can be a quick and efficient way to increase the overall efficiency of this type of machine. The gas-solid model proposed in this current study improved the knowledge about particle transportation using a nozzle, and it was verified that for a low Reynolds Number, the higher the Stokes Number, the higher the particle Concentration on the desired area of deposition. It was also confirmed that decreasing the Reynolds Number implies an increase in particle Concentration. Considering higher Reynolds Numbers, Re = 1 000 and Re = 1 250, it was concluded that there is no pattern for the particle Concentration due to the agglomeration formation, changing the shape of the particles and generating a new solid body, modifying the drag force and, then, the particle deposition behavior. The research developed on this dissertation helped to understand the particle behavior considering different flow regimes applied for a range of multiple Reynolds and Stokes Numbers. It was possible, as well, to map the particle deposition pattern behavior and to understand the effects of the fluid flow over the particle concentration on the deposition point.
Keywords: CFD
FDC
simulation
metal deposition
Direct Energy Deposition
LENS
LMD
turbulence
multiphase flows
fluid mechanics
simulação
deposição metálica
turbulência
escoamentos multifásicos
mecânica de fluidos
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia Mecânica
Mecânica dos fluidos
Partículas (Física, química, etc.)
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: NUNES, Leon de Moraes. Aplicação de fluidodinâmica computacional para investigação de escoamento gás particulado no projeto de um bocal coaxial para manufatura aditiva, 2022. 141 f. Dissertação de Mestrado (Mestrado em Engenharia Mecânica), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.59
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.59
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36601
Date of defense: 29-Aug-2022
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