KFUPM ePrints

THREE-DIMENSIONAL SIMULATION OF LASER GAS-ASSISTED CUTTING: JET IMPINGEMENT CONSIDERATIONS

MELHEM, OMAR A. (2010) THREE-DIMENSIONAL SIMULATION OF LASER GAS-ASSISTED CUTTING: JET IMPINGEMENT CONSIDERATIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]
Preview
PDF
10Mb

Arabic Abstract

تُعتبر عمليّة القطع بواسطة الليزر والمُعزّزة بالغاز المُساعِد من أهمّ عمليّات التصنيع بواسطة الليزر، حيث يقوم المِنفث الغازيّ الداهم بتحسين الانتقال الحراري على طول الأطراف المقطوعة. ويقوم المِنفث الغازيّ أيضاً بعمليّة طرد المادّةِ المُحوّلةِ الطورِ من الثّلمِ الناشئِ عن القطع بواسطة الليزر. ولذلك كانت دراسة تركيب انسياب المِنفث الغازيّ ودراسة الآثار الحرارية الناتجة عنه عند نطاق التآثرِ بالليزر عنصراً أساسيّاً في فهم وفي تصميم عمليّة القطع بواسطة الليزر بكفاءة. ولمّا كانت النمذجة الرقميّة تؤدّي إلى زيادة التبصّر في الجوانب الفيزيائيّة لعمليّة القطع، ولمّا كانت تشكّلُ أداةً عالية الكفاءة للدراسات البارمتريّة، تمّ اعتماد النمذجة الرقمية لدراسة آثار المِنفث الغازيّ في هذه الأُطروحة. تمّ في هذه الدراسة إجراء محاكاة رقميّة ثلاثيّة الأبعاد لدراسة ظواهر الانسياب والانتقال الحراري لمِنفثِ غاز النيتروجين المُنبثقِ من فُوّهةٍ مخروطيّة مُخصّرة والداهم على الثَّلمِ الناشئِ عن الليزر. ويُدمِج النموذج طبيعة الثَّلم الثلاثيّة الأبعاد حيث أنّه لم يتمّ العثور على اعتبارٍ مماثلٍ لهذه الخاصيّة في الأبحاث المنشورة. كما أنّه تمّ استعمال نموذج RNG مع المعالجة المُطوّرة للأسطح لحساب الاضطراب الدُوّاميّ. ومن ثمّ تمّ استعمال طريقة الحجم المحدود لتمييز المعادلات، وبرنامج FLUENT 6.2.16 لإجراء المُحاكاة الحسابيّة. وتعتبر هذه الدراسة أربع قِيَمٍ لِمُعدّل سرعة الغاز على مخرج الفُوّهة، وقيمتين للمسافة اللابعديّة بين مخرج الفُوّهة والسطح المُعالج، وأربع قيم مختلفة لعُمق الثّلم، بالاضافة إلى قِيمٍ مختلفة لزاوية سطح الثّلم. ومن ثمّ تمّ حساب وتحليل حقلى الانسياب والانتقال الحراري بالإضافة إلى معدّل رقم Nusselt ومُعدّل الاحتكاك على سطح الثّلم وعامل نسبة الانسياب. وأظهرت النتائج الأثر الكبير لكل من مُعدّل سرعة الغاز وزاوية سطح الثّلم في تغيير حقلي الانسياب والانتقال الحراريّ، في حين كان أثر عمق الّثلم ملحوظاً ولكن أقلّ أهميّة. أما بالنسبة للمسافة اللابعديّة بين مخرج الفُوّهة والسطح المُعالج فكان أثرها على مُعدّلات القِيم أكثرَ منه أهميّة على القِيمِ المحليّة. ويُتوقّع أن تكون النتائج الحاليّة بالغة الأهميّة في تحديد آثار العوامل الأساسية على ظواهر الانسياب والانتقال الحراري المُتعلّقة بالمِنفث الغازيّ الداهم على السطح المُعالج بواسطة الليزر.

English Abstract

A major laser machining operation is laser gas-assisted cutting, in which an impinging gas jet enhances heat transfer along the cut edges and serves in ejecting the phase-changed material from the kerf formed during the cutting process. Therefore, understanding and efficiently designing the process requires deep investigation into the impinging gas jet flow structure and the thermal effects occurring at the laser interaction zone. Numerical modeling of the process gives insight into the physical processes involved and provides a resources-efficient tool for parametric studies. In this study, three-dimensional numerical simulations are conducted to study the fluid flow and heat transfer phenomena of nitrogen gas jet emerging from a conical convergent nozzle and impinging onto a laser produced kerf. The model incorporates the three-dimensionality associated with the laser cut kerf, of which no consideration is found in the open literature. The renormalization group (RNG) k-ε model with enhanced wall treatment is employed to account for turbulence. A finite-volume approach is utilized to discretize the governing equations and FLUENT 6.2.16 is utilized to conduct the simulations. The study incorporates four averaged jet velocities at nozzle exit, two dimensionless standoff distances, four different kerf depths, and different kerf wall wedge angles. The flow field, local Nusselt number and skin friction distribution, mass flow rate factor, average Nusselt number at the kerf wall surface, and average skin friction at kerf wall surface are computed and analyzed. It is found that the averaged jet velocity and kerf wedge angle have a major effect on local and average parameters being quantified. The effect of kerf depth is important but less pronounced. Moreover, the standoff distance is found to have a significant effect on the average Nusselt number and average skin friction. The results obtained are expected to be valuable in identifying effects of the key parameters on the flow and heat transfer phenomena associated with jet impingement in laser cutting process.



Item Type:Thesis (PhD)
Date:31 January 2010
Date Type:Completion
Subjects:Engineering
Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Creators:MELHEM, OMAR A.
Email:melhemomar@hotmail.com
Committee Advisor:Yilbas, Bekir S.
Committee Co-Advisor:Shuja, Shahzada Z.
Committee Members:Sahin, Ahmet Z. and Abualhamayel, Habib I. and Zaman, Fiazuddin
ID Code:136224
Deposited By:OMAR MELHEM
Deposited On:05 Apr 2010 12:08
Last Modified:24 Nov 2014 10:44

Repository Staff Only: item control page