PARAGRAFO 13.1
DEFINIZIONE della GEOMETRIA e delle CONDIZIONI OPERATIVE
Un’altra analisi sulle torce manuali è stata svolta per la torcia CP 91. Le simulazioni finora fatte utilizzavano modelli prevalentemente bidimensionali; ciò soprattutto per la simulazione delle torce automatiche, il cui comportamento, con buona approssimazione, è ben descritto nell’ambito di una ipotesi di assilasimmetria che permette di contenere i tempi di simulazione rispetto ad approcci tridimensionali più realistici. La geometria delle torce manuali è infatti molto più semplice rispetto a quella delle torce automatiche; nella simulazione di quest’ultima tipologia di sorgenti di plasma, l’uso di modelli tridimensionali permette l’analisi del comportamento termo fluidodinamico- elettromagnetico del plasma con il necessario maggior livello di realismo.
In questo senso l’analisi della torcia CP 91 è stata fatta attraverso l’utilizzo della geometria tridimensionale della stessa. Il modello tridimensionale è stato realizzato in modo da includere i dettagli delle sezioni di ingesso del gas. Come già detto precedentemente nelle torce manuali si utilizza un unico gas che funge sia da gas primario che da gas secondario; in questa situazione l’aria entra in un solo canale per poi essere separata in gas primario e gas secondario. L’utilizzo di un modello tridimensionale e la valutazione dei canali di ingresso del plasma permette una miglior comprensione delle caratteristiche del flusso nella regione a monte della camera di plasma e quindi una miglior progettazione dei componenti
valle dell’ugello, questo è stato fatto perché interessa solo il comportamento fluidodinamico del gas all’interno della torcia, la situazione rappresenta quello che può essere un arco pilota.
Figura 13.1: illustrazione della geometria utilizzata per le simulazioni tridimensionali
Le condizioni operative sono le seguenti:
• gas di alimentazione aria, pressione 500000
• corrente pari a 90 A
• foro dell’ugello di diametro pari a 1,3 mm.
La figura 13.1 mostra la geometria modellata per la simulazione tridimensionale, si possono vedere il gas inlet da dove entra l’aria, poi parte diventa gas primario con una determinata velocità di swirl e parte diventa gas di secondario atto a proteggere e refrigerare la torcia stessa. Questa geometria permette una simulazione molto più realistica che non un modello bidimensionale; in questo caso vengono presi in considerazione anche i piccoli
in maniera accurata il comportamento fluidodinamico del gas. La modellazione di piccoli fori comporta alcuni problemi dal punto di vista della mesh perché all’interno di essi deve essere presente un numero abbastanza elevato di celle in modo da poter descrivere in maniera accurata il comportamento del gas. Nelle altre sezioni della torcia però, non può essere utilizzata la stessa dimensione delle celle altrimenti il modello presenterebbe un numero troppo elevato di elementi; si avrebbe una grande difficoltà nella convergenza delle soluzioni e un costo computazionale elevato. Il problema va ponderato e risolto utilizzando al meglio tutte le funzioni di Gambit. I percorsi dei filetti fluidi all’interno della torcia possono essere visualizzati in modo da valutare la presenza di eventuali vortici o riflussi che potrebbero andare a compromettere il buon funzionamento della torcia.
PARAGRAFO 13.2
ANALISI dei RISULTATI
Figura 13.2: traiettorie dei filetti fluidi all’interno della torcia, il gas primario è evidenziato in rosso, il gas secondario invece è in blu
La figura 13.2 evidenzia il percorso che il fluido compie all’interno della torcia. Le linee rosse evidenziano il percorso del gas di plasma con una forte componente di swirl. La componente di swirl nel gas di plasma ne aumenta la coerenza permettendo così una maggior densità di potenza raggiungi ungendo in tempi rapidi la completa fusione del materiale da tagliare. Un’elevata densità di potenza ed un’elevata quantità di moto dell’arco di plasma portano ad avere una riduzione della formazione di bave e di fumo, migliorando così sia la qualità di taglio che il comfort dell’operatore umano.
Figura 13.3: campo di velocità in [m/s]
Le simulazioni svolte rappresentano la situazione di arco pilota, situazione in cui la parte di materiale da tagliare non è presente, è la situazione che si ha quando l'arco viene fatto innescare in aria senza far avvenire il trasferimento sul pezzo. Questa situazione è stata imposta per poter ridurre i tempi di iterazione e non andare a complicare ulteriormente il modello; l'approssimazione fatta non va
ad influenzare però l'andamento fluidodinamico del gas all'interno della torcia che è l'argomento di interesse di questi calcoli.
Nella figura 13.3 si vede il campo di velocità su un piano passante per l'asse della torcia, si nota come il valore massimo viene raggiunto nell'uscita dell'ugello, più precisamente nella zona del long-life, risultato che ben concorda con tutte le altre simulazioni bidimensionali svolte.
Figura 13.4: campo di velocità in scala logaritmica [m/s]
La velocità è stata visualizzata anche in scala logaritmica in modo da evidenziare quale fosse l'effetto del gas secondario sul getto di plasma a valle dell'ugello. La funzione del gas di secondario è di costringere il getto di plasma anche a valle dell’uscita dell’ugello. Vi è una zona anulare con forte componente turbolenta in cui la velocità del gas secondario raggiunge i 300 m/s, questa turbolenza crea un ricircolo che porta aria dall’esterno dell’ugello verso la colonna di plasma andando così a costringere il getto di plasma. Questa costrizione ha notevoli effetti benefici per quello che riguarda la stabilità dell'arco e le sue caratteristiche termofluidodinamiche. La presenza di questo vortice turbolento porta ad una maggiore coerenza dell'arco plasma e ad una miglior uniformità delle sue caratteristiche.
Figura 13.5: sezioni perpendicolari all’asse della torcia del campo di velocità in scala logaritmica [m/s]
Nella figura 13.5 si vede, sempre in scala logaritmica, l’andamento della velocità su piani paralleli tra di loro e perpendicolari all’asse del catodo, in questo modo viene valutato come la velocità varia lungo la direzione dell’asse della torcia.
La figura 13.6 mostra l'effetto di costrizione del gas di secondario, già notato nel campo di velocità, anche sul campo di temperatura. All'uscita dell'ugello si vede come il campo di temperatura non si espande liberamente in aria ma rimane coerente e perciò si ha un getto di plasma uniforme. Anche la parte più fredda del getto, quella più esterna rispetto all'asse, rimane compatta garantendo al getto di plasma delle caratteristiche migliori.
Figura 13.7: campo di pressione [Pa]
La figura 13.7 mostra l’andamento della pressione all’interno della torcia; come detto in precedenza nella descrizione del modello, la sezione di ingresso del gas è unica, attraverso i fori del diffusore si divide in gas di plasma e gas di secondario. La pressione del gas primario si va a ridurre tra la punta del catodo e l’uscita dell’ugello, mentre quella del gas secondario viene ridotta a valle dei fori del diffusore di secondario.
Le simulazioni tridimensionali hanno mostrato gli andamenti dei campi delle grandezze di maggior interesse in maniera più realistica e precisa, considerando anche la modellazione dei piccoli canali dove il fluido viene fatto passare. Si noti come grazie a queste simulazioni si riesce ad avere una nozione più completa e realistica del comportamento fluidodinamico dei gas all'interno della torcia, si riescono a vedere il percorso dei filamenti fluidi all'interno dei componenti e permette di confrontare in maniera più realistica le geometrie da studiare. Utilizzando un modello tridimensionale il costo computazionale aumenta, portando anche ad un aumento del tempo impiegato per portare a convergenza la simulazione. Inoltre le geometrie delle torce manuali sono molto più semplici rispetto a quelle delle torce automatiche quindi in questo ultimo caso i tempi si allungherebbero di molto. Le immagini mostrano come la differenza tra simulazioni bidimensionali e tridimensionali non sia così rilevante e quindi l'approssimazione del modello bidimensionale può essere tollerata.