Gaz atomizasyonda parçalanma mekanizmasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla iki fazlı olarak modellenmesi
Two-phase modeling of the breakup mechanisms in gas atomization with the aid of computational fluid dynamics
Yazar: DENİZ AKTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE YURTKURAN
Sivas Bilim ve Teknoloji Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Son yıllarda hızlı prototipleme, termal spreyleme, metal enjeksiyon kalıplama, soğuk veya sıcak izostatik pres, eklemeli imalat gibi üretim yöntemlerinin popülerleşmesi, bu üretim proseslerinin ham maddesi olan metal tozu üretim talebini artırmıştır. Gaz atomizasyon işleminde toz dağılımı kontrol edilebildiğinden, diğer metal tozu üretim prosesleri arasında en verimli metot olduğu belirtilmiştir. Gaz atomizasyonda optimizasyon çalışmalarında literatürde çoğunlukla sadece gaz akışının analiz edildiği tek fazlı modelleme çalışmaları bulunmaktadır. Bu çalışmada ise parçalanma mekanizması üç farklı aşamada analiz edilmiştir. İlk olarak 2,5; 3; 3,5 ve 3,7 MPa argon gaz giriş basınçlarında Prandtl-Meyer dalgaları, Mach diskleri, şok dalgaları, türbülans katmanı, sirkülasyon bölgesi ve durma noktası gibi gaz akış dinamiği parametreleri incelenmiştir. 2,5 ve 3 MPa'da gaz akış ayrımı oluşurken, 3,5 ve 3,7 MPa'da gaz akış ayrımının oluşmadığı gözlemlenmiştir. Ayrıca gaz giriş basıncı artıkça şok dalgaları ve Prandtl-Meyer dalgalarının sayısının azaldığı ve atomizasyon hattı boyunca en yüksek kinetik enerjiye 3,7 MPa gaz giriş basıncının sahip olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci adımında ise 3,7 MPa gaz giriş basıncında ergiyik metal-gaz etkileşimi iki fazlı olarak modellenmiştir. Birincil atomizasyonun başlangıç aşaması olan bu adımda elde edilen partikül boyutları 500 µm ve 1 mm şeklindedir. Son adımda ise birincil atomizasyonda elde edilen partiküller hesaplama alanında konumlandırılarak, ikincil atomizasyonda gaz ve ergiyik etkileşimi iki fazlı olarak modellenmiştir. Analizler sonucunda damlacıkların durma noktasına yaklaştıkça birbirlerine yapıştığı ve dolayısıyla bu noktanın uydulaşma başlangıç aşaması olduğu görülmüştür. Ayrıca parçalanan damlacıkların durma noktasının aşağısında merkez eksenden dışa doğru savrulduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ile gaz akış dinamiği ve ergiyik metal etkileşiminde parçalanma mekanizması detaylı olarak incelenmiştir.

Abstract:
In recent years, the popularization of production methods such as rapid prototyping, thermal spraying, metal injection molding, cold or hot isostatic pressing, additive manufacturing has increased the demand for metal powder. In gas atomization optimization studies, there are mostly single-phase studies in the literature. In this study, the fragmentation mechanism was analyzed in three different stages. Firstly, gas flow dynamics parameters such as Prandtl-Meyer expansion waves, Mach disks, shock waves, turbulence layer, circulation zone and stagnation point at 2,5; 3; 3,5 and 3,7 MPa argon gas inlet pressures were investigated. While gas flow separation occurs at 2,5 and 3 MPa, it has been observed that it does not occur at 3,5 and 3,7 MPa. In addition, it was determined that as the gas inlet pressure increased, the number of shock waves and Prandtl-Meyer waves decreased and the gas inlet pressure of  3,7 MPa had the highest kinetic energy along the atomization line. In the second step, the molten metal-gas interaction was modeled as two-phase at a gas inlet pressure of 3,7 MPa. The particle sizes obtained in this step are 500 µm and 1 mm. In the last step, the particles obtained in the primary atomization were positioned in the calculation area, and the gas and melt interaction in the secondary atomization was modeled as two-phase. As a result of the analysis, it was observed that the droplets adhered to each other as they approached the stagnation point, and therefore this point was the initial phase of satellite. In addition, it was observed that the fragmented droplets were directed outward from the central axis below the stagnation point. With the results obtained, the gas flow dynamics and the disintegration mechanism in the molten metal interaction are explained in detail.