Thiết kế và tối ưu hóa vòi phun plasma dựa trên động lực học chất lỏng tính toán

Nan Yu1,2, Yanni Yang2,3, Renaud Jourdain2, Mustapha Gourma2, Adam Bennett2,4, Fengzhou Fang1
1Centre for Micro/Nano Manufacturing Technologies (MNMT-Dublin), University College Dublin, Dublin 4, Ireland
2Precision Engineering Institute, Cranfield University, Bedford, UK
3Xi’an Aero Engine Group Co., Ltd, Aero Engine Corporation of China, Xi’an, China
4Cranfield Plasma Solutions, Northamptonshire, UK

Tóm tắt

Nghiên cứu này nhằm xác định giải pháp tối ưu cho thiết kế vòi phun hội tụ-khuyếch tán xả dòng plasma có nhiệt độ cao. Các tham số hình dạng tối ưu (ví dụ: kích thước họng, độ sâu của các phần hội tụ và khuyếch tán) đã được phát triển nhằm nâng cao khả năng xử lý của đèn plasma như sóng điện từ. Nhiệt độ và vận tốc của dòng plasma được nghiên cứu cả dọc theo trục của vòi phun và trên bề mặt đệm bị tác động. Phân tích động lực học chất lỏng tính toán của 55 mô hình với các hình cắt ngang khác nhau làm nổi bật các trường hợp có thể được sử dụng để nâng cao quy trình hình thành plasma. Các vòi phun nâng cao được so sánh với vòi phun chuẩn theo tất cả các tiêu chí lựa chọn. Cách tiếp cận tối ưu hóa này được chứng minh là cung cấp một phương pháp thiết kế hiệu quả cho các vòi phun plasma cho các hoạt động xử lý trong tương lai. Việc thiết kế và tối ưu hóa nhanh chóng vòi phun dự kiến sẽ điều chỉnh diện tích loại bỏ vật liệu trong quy trình plasma trong chế tạo quang học quy mô mét. Các kết quả thí nghiệm chứng minh rằng vòi phun nâng cao có hiệu suất cao hơn 5% so với vòi phun gốc.

Từ khóa

#Vòi phun plasma #tối ưu hóa #động lực học chất lỏng tính toán #quy trình hình thành plasma #hiệu suất vòi phun.

Tài liệu tham khảo

Sun R, Yang X, Watanabe K, Miyazaki S, Fukano T, Kitada M, Arima K, Kawai K, Yamamura K (2019) Etching characteristics of quartz crystal wafers using argon-based atmospheric pressure cf 4 plasma stabilized by ethanol addition. Nanomanufact Metrol 2(3):168–176. https://doi.org/10.1007/s41871-019-00044-4 Piechulla P, Bauer J, Boehm G, Paetzelt H, Arnold T (2016) Etch mechanism and temperature regimes of an atmospheric pressure chlorine-based plasma jet process. Plasma Process Polym 13(11):1128–1135. https://doi.org/10.1002/ppap.201600071 Li D, Li N, Su X, Ji P, Wang B (2019) Atmospheric pressure plasma processing of an optical sinusoidal grid. Micromachines 10(12):828. https://doi.org/10.3390/mi10120828 Qin S, Deng H (2019) Electrochemical etching of tungsten for fabrication of sub-10-nm tips with a long taper and a large shank. Nanomanufact Metrol 2(4):235–240. https://doi.org/10.1007/s41871-019-00050-6 Shore P, Cunningham C, DeBra D, Evans C, Hough J, Gilmozzi R, Kunzmann H, Morantz P, Tonnellier X (2010) Precision engineering for astronomy and gravity science. CIRP Ann 59(2):694–716. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2010.05.003 Castelli M, Jourdain R, Morantz P, Shore P (2012) Rapid optical surface figuring using reactive atom plasma. Precis Eng 36(3):467–476. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2012.02.005 Jourdain R, Castelli M, Yu N, Gourma M, Shore P (2016) Estimation of the power absorbed by the surface of optical components processed by an inductively coupled plasma torch. Appl Therm Eng 108:1372–1382. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.024 Deshpande ON, Narappanawar NL 2015. Space advantage provided by De-Laval Nozzle and Bell Nozzle over Venturi. Proc World Congr Eng 2 Deshpande ND, Vidwans SS, Mahale PR, Joshi RS, Jagtap KR (2014) Theoretical and CFD analysis of De-Laval Nozzle. Int J Mech Prod Eng 2(4):2320–2092 Yu N, Jourdain R, Gourma M, Shore P (2016) Analysis of De-Laval nozzle designs employed for plasma figuring of surfaces. Int J Adv Manuf Technol 87(1-4):735–745. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8502-y Zhai W, Gao B, Chang J, Wang H (2019) Optimization of ultrasonic-assisted polishing SiC through CFD simulation. Nanomanufact Metrol 2(1):36–44. https://doi.org/10.1007/s41871-018-0033-8 Khan SA, Aabid A, Baig MAA (2018) CFD analysis of CD nozzle and effect of nozzle pressure ratio on pressure and velocity for suddenly expanded flows. Int J Mech Prod Eng Res Dev 8:1147–1158. https://doi.org/10.24247/ijmperdjun2018119 Quintao KK (2012) Design optimization of nozzle shapes for maximum uniformity of exit flow. FIU Electronic Theses and Dissertations. 779. https://doi.org/10.25148/etd.FI12120505 Winne SJ, Chandrasekaran M (2015) Optimization of nozzle: convergence using Ansys with RSM, MOGA. ARPN J Eng Appl Sci 10(13):5486–5489 http://www.arpnjournals.com/jeas/research_papers/rp_2015/jeas_0715_2276.pdf Clark, I., Thomas, R.H. and Guo, Y., 2018. Aircraft system noise assessment of the NASA D8 subsonic transport concept. In: 2018 AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (p. 3124). https://doi.org/10.2514/6.2018-3124 Cuppoletti D, Gutmark E, Gustafsson KM, Hafsteinsson H, Eriksso, LE, Prisell E (2012) Nozzle throat optimization on acoustics and performance of a supersonic jet. In: 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (33rd AIAA Aeroacoustics Conference) (p. 2256). https://doi.org/10.2514/6.2012-2256 Murugan N, Saravanan V, Nagaraju Doddi H, Nejaamtheen MN, Sanal Kumar VR, Murugesh P (2017) Conceptual design and shape optimization of a pintle nozzle for controllable thrust propulsion and steering. In: 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (p. 4870). doi:org/10.2514/6.2017-4870 Zhang H, Wang L, Jia L, Zhao H, Wang C (2018) Influence investigation of friction on supersonic ejector performance. Int J Refrig 85:229–239. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.09.028 Heath C, Nielsen EJ, Park MA, Gray JS (2015) Aerodynamic shape optimization of a two-stream supersonic plug nozzle. In: 53rd AIAA Aerospace Sciences Meeting (p. 1047). https://doi.org/10.2514/6.2015-1047 Mostaghimi J, Proulx P, Boulos MI (1984) Parametric study of the flow and temperature fields in an inductively coupled rf plasma torch. Plasma Chem Plasma Process 4(3):199–217 Morsli M, Proulx P, Gravelle D (2011) Chemical non-equilibrium modelling of an argon–oxygen supersonic ICP. Plasma Sources Sci Technol 20(1):015016 (11 pp) Sember V, Gravelle DV, Boulos MI (2002) Spectroscopic study of a supersonic plasma jet generated by an ICP torch with a convergentdivergent nozzle. J Phys D Appl Phys 35(12):1350. https://doi.org/10.1088/0022-3727/35/12/311 El Morsli M, Proulx P (2007) A chemical non-equilibrium model of an air supersonic ICP. J Phys D Appl Phys 40(2):380–394. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/2/015 Fang F, Xu F (2018) Recent advances in micro/nano-cutting: effect of tool edge and material properties. Nanomanufact Metrol 1(1):4–31. https://doi.org/10.1007/s41871-018-0005-z Wang J, Fang F, Yan G, Guo Y (2019) Study on diamond cutting of ion implanted tungsten carbide with and without ultrasonic vibration. Nanomanufact Metrol 2(3):177–185. https://doi.org/10.1007/s41871-019-00042-6 Yu N, Jourdain R, Gourma M, Shore P (2014) Analysis of nozzle design used for the creation of advanced energy beam. In: Proceedings of 29th ASPE Annual Meeting (pp. 200–205) Constantin P, Foias C (1988) Navier-stokes equations. University of Chicago Press ANSYS A (2016) ANSYS Fluent User’s Guide, 17.2. ANSYS, Canonsburg Yu N, Jourdain R, Gourma M Bennett A, Fang F (2020) Power dissipation of an inductively coupled plasma torch under E mode dominated regime. Adv Manuf (SUBMITTED) Yu N (2016) Thermal analysis of energy beam using De-Laval nozzle in plasma figuring process. Thesis, Cranfield University Zhou H, Bennett A, Castelli M, Jourdain R, Guo J, Yu N (2020) Design of a motorised plasma delivery system for ultra-precision large optical fabrication. Int J Extreme Manuf (Accepted)