Modeliranje toka delcev pri uporabi laserskega direktnega navarjanja s sklopljenim pristopom na osnovi metode diskrednih elementov in komputacijske fluidne mehanike

Modeliranje toka delcev pri uporabi laserskega direktnega navarjanja s sklopljenim pristopom na osnovi metode diskrednih elementov in komputacijske fluidne mehanike

ESA RPA projekt tipa A, št. pogodbe 4000142691/23/NL/MH/mp

Vodja projekta: dr. Tijan Mede

Lasersko direktno navarjanje – LDN (ang: Directed Energy Deposition - DED) velja za eno ključnih tehnologij prihodnjega raziskovanja vesolja, saj je eden glavnih kandidatov za izdelavo konstrukcij v vesolju. Možnost delovanja v pogojih mikrogravitacije in sposobnost izdelave velikih struktur, ki predstavljata dve največji prednosti te tehnologije, trenutno omejujeta predvsem slaba dimenzijska natančnost tehnologije in ponavljajoče se strukturne napake v izdelkih. Obe pomanjkljivosti je mogoče vsaj deloma pripisati slabemu nadzoru nad dovajanjem prahu. Kaotično dinamiko toka prašnih delcev in nosilnega plina, ki izhaja iz nanašalne šobe, je izjemno težko nadzorovati in napovedati. Cilj projekta je bil zato vzpostaviti simulacijski pristop nove generacije za modeliranje dinamike tega dvofaznega toka, ki predstavlja nujno potrebno orodje za izboljšanje natančnosti LDN procesa.

Pristop temelji na združevanju zmogljivosti metode diskretnih elementov – MDE (ang: Discrete Element Method – DEM) in računalniške dinamike tekočin - RDT (ang: Computational Fluid Dynamics – CFD), ki predstavljata najsodobnejša pristopa za modeliranje dinamike granularnih sistemov in mehanike tekočin. Medtem ko vsak od omenjenih metod obravnava dinamiko svoje faze, popolna sklopitev med njima zagotavlja izmenjavo gibalne količine med prašnimi delci in nosilnim plinom (glej sliko 1). Polna sklopitev upošteva silo upora na delce, povratno silo na nosilni plin ter medsebojne interakcije med posameznimi prašnimi delci in s tem odpravlja pomanjkljivosti trenutno uveljavljenih pristopov na osnovi RTD [1].

Razviti model v celoti temelji na odprtokodnih tehnologijah in je zato objavljen pod odprtokodno licenco. Za razreševanje granularne faze smo uporabili programsko opremo YADE, za razreševanje fluidne paze pa programsko opremo openFoam. Sklop med obema podsistemoma je zasnovan na protokolu Open MPI ter arhitekturi, ki je bila razvita na Univerzi Grenoble-Alpes.

V okviru projekta je bila izvedena tudi eksperimentalna makroskopska validacija razvitega numeričnega modela, pri kateri smo izmerili porazdelitev položajev prašnih delcev in njihovih hitrostnih vektorjev ter ju primerjali pri značilni delovni razdalji od nanašalne glave. V sodelovanju z laboratorijem LASIN Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani smo s parom visokohitrostnih kamer, kot je prikazano na sliki 2, posneli trajektorije delcev, ki izstopajo iz komercialne LDN nanašalne glave. Primerjava je pokazala odlično ujemanje med simuliranimi in eksperimentalno izmerjenimi položaji prašnih delcev ter njihovimi hitrostnimi vektorji.