Ingeniare: Revista Chilena de Ingeniería (Dec 2009)
NUMERICAL SIMULATION OF THE MELTING OF PARTICLES INJECTED IN A PLASMA JET SIMULACIÓN NUMÉRICA DE LA FUSIÓN DE PARTÍCULAS INYECTADAS EN UN JET DE PLASMA
Abstract
This work presents the numerical simulation of the melting process of a particle injected in a plasma jet. The plasma process is nowadays applied to produce thin coatings on metal mechanical components with the aim of improving the surface resistance to different phenomena such as corrosion, temperature or wear. In this work we studied the heat transfer including phase-change of a bi-layer particle composed of a metallic iron core coated with ceramic alumina, inside a plasma jet. The model accounted for the environmental conditions along the particle path. The numerical simulation of this problem was performed via a temperature-based phase-change finite element formulation. The results obtained with this methodology satisfactorily described the melting process of the particle. Particularly, the results of the present work illustrate the phase change evolution in a bi-layer particle during its motion in the plasma jet. Moreover, the numerical trends agreed with those previously reported in the literature and computed with a finite volume enthalpy based formulation.Este trabajo presenta la simulación numérica de la fusión de una partícula inyectada en un jet de plasma. Este proceso es hoy en día aplicado para producir capas o recubrimientos delgados sobre componentes mecánicos metálicos, con el objetivo de mejorar su resistencia superficial frente a diferentes fenómenos tales como corrosión, temperatura y desgaste. En este trabajo se estudió la transferencia de calor incluyendo cambio de fase, de una partícula bimaterial compuesta por un centro metálico de hierro recubierto por una capa protectora de alúmina cerámica, dentro de un jet de plasma. El modelo numérico tomó en cuenta las condiciones ambientales a lo largo de toda su trayectoria en el jet. La simulación numérica de este problema fue realizada mediante una formulación de elementos finitos con cambio de fase que retiene como variable única la temperatura. Los resultados obtenidos mediante esta metodología describieron satisfactoriamente el proceso de fusión de la partícula. En particular, se describe la evolución del cambio de fase de la partícula bimaterial considerando el efecto producido por su movimiento en el ambiente gaseoso. Además, los resultados numéricos presentan concordancia con los presentados en la literatura utilizando una formulación de volúmenes finitos basada en la entalpía.
