Numerische Simulation der Gas- und Partikelströmung in der Brennkammer und Austrittsdüse des HVOF-Internal-Diameter-Prozesses

Die vorliegende Studie widmet sich der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics − CFD) des HVOF-ID-Prozesses (ID – Internal Diameter) mit zusätzlicher Stickstoffeindüsung in die Brennkammer (Warmspray Verfahren) zur Innenbeschichtung von Bauteilen. Dabei wird ein Innenbeschichtungsbrenner vom Typ ID-RED betrachtet. Der Fokus der durchgeführten CFD-Simulationen liegt dabei auf der Brennkammer, dem L-förmigen Lauf und dem Bereich der Expansionsdüse. Durch die Verwendung eines detaillierten, experimentell validierten Simulationsmodells auf Basis von Ansys Fluent wurden Gas- und Partikelströmung, Wärmetransport sowie Verbrennungsprozesse in einem ID-HVOF-Brenner untersucht. Die Geometrie wurde mittels Röntgentomografie digitalisiert und zu einem achsensymmetrischen Modell aufbereitet. Die Simulationen zeigen den Einfluss variabler Parameter wie Stickstoffdurchsatz, Partikelgröße, Spritzabstand und Injektionsgeschwindigkeit auf Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen sowie auf das Flugverhalten von WC-12Co-Partikeln. Die Ergebnisse dieser Studie belegen, dass feine Partikel bei kurzen Spritzabständen sowie angepasster Injektionsgeschwindigkeit besonders vorteilhafte thermischkinetische Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann auch bei kurzen Spritzabständen ein ausreichender Wärme- und Impulstransfer der Flamme auf die Partikel stattfinden und die Beschichtung ermöglicht werden. Die Stickstoffzufuhr beeinflusst maßgeblich die Flammentemperatur, den Brennkammerdruck sowie die Form des Freistrahls im Prozess. Insgesamt bietet die Studie eine fundierte Grundlage zur Prozessoptimierung des HVOF-IDVerfahrens, insbesondere hinsichtlich Effizienz, Reproduzierbarkeit und Beschichtungsqualität.