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Insights from high-fidelity modeling of industrial rotary bell atomization

汽车工业 涂层 机械工程 计算机科学 稳健性(进化) 计算流体力学 高效能源利用 材料科学 工艺工程 纳米技术 机械 物理 航空航天工程 工程类 化学 基因 电气工程 生物化学
作者
Robert I. Saye,James A. Sethian,Brandon Petrouskie,Aaron Zatorsky,Xinyu Lü,Reza M. Rock
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (4) 被引量:4
标识
DOI:10.1073/pnas.2216709120
摘要

The global automotive industry sprayed over 2.6 billion liters of paint in 2018, much of which through electrostatic rotary bell atomization, a highly complex process involving the fluid mechanics of rapidly rotating thin films tearing apart into micrometer-thin filaments and droplets. Coating operations account for 65% of the energy usage in a typical automotive assembly plant, representing 10,000s of gigawatt-hours each year in the United States alone. Optimization of these processes would allow for improved robustness, reduced material waste, increased throughput, and significantly reduced energy usage. Here, we introduce a high-fidelity mathematical and algorithmic framework to analyze rotary bell atomization dynamics at industrially relevant conditions. Our approach couples laboratory experiment with the development of robust non-Newtonian fluid models; devises high-order accurate numerical methods to compute the coupled bell, paint, and gas dynamics; and efficiently exploits high-performance supercomputing architectures. These advances have yielded insight into key dynamics, including i) parametric trends in film, sheeting, and filament characteristics as a function of fluid rheology, delivery rates, and bell speed; ii) the impact of nonuniform film thicknesses on atomization performance; and iii) an understanding of spray composition via primary and secondary atomization. These findings result in coating design principles that are poised to improve energy- and cost-efficiency in a wide array of industrial and manufacturing settings.
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